Construyendo una nave capaz de sobrevivir en la superficie de Venus

Por Daniel Marín, el 4 septiembre, 2011. Categoría(s): NASA • Rusia • Sistema Solar • sondasesp • Venus ✎ 33
La superficie de Venus es uno de los lugares más hostiles del Sistema Solar. Con una temperatura de casi 500º C y una presión atmosférica que ronda las 93 atmósferas, diseñar una nave espacial que pueda sobrevivir en estas condiciones supone un desafío tecnológico de primer orden. Pero, contra todo pronóstico, el ser humano ha logrado visitar este entorno infernal no en una, sino en varias ocasiones.

  DZhVS, un proyecto de sonda soviética de los años 70 para estudiar la superficie de Venus durante un mes (S. Ptitsin/Novosti Kosmonavtiki).

Las terribles condiciones de la atmósfera y superficie de Venus (NASA).

La primera nave que consiguió transmitir datos de primera mano sobre las terribles condiciones que reinaban en el lucero del alba fue la misión soviética Venera 4 (3MV/1V nº 310) en 1967. Aunque la cápsula resultó destruida antes de llegar a la superficie, su sacrificio sirvió para demostrar a las claras que Venus distaba mucho de ser ese paraíso repleto de pantanos con dinosaurios imaginado por algunos autores de ciencia ficción.

Cápsula de aterrizaje de la Venera 4. Fue diseñada para aguantar hasta 500 G de desaceleración, 18 atmósferas y 400º C, lo que resultaba insuficiente para las duras condiciones de Venus. La sonda real no tenía este aspecto, ya que estaba recubierta por un escudo térmico de ablación de color oscuro.

Se diseñaron cápsulas cada vez más resistentes, pero habría que esperar hasta al 15 de diciembre de 1970 para ver una cápsula en la superficie de Venus. Sería entonces cuando la Venera 7 (3V nº 630) confirmó las brutales condiciones que existían en el «gemelo de la Tierra». Animados por estos éxitos, los científicos soviéticos liderados por Georgi Babakin (ingeniero jefe de NPO Lávochkin) diseñaron una nueva generación de naves más pesadas y complejas. Las nuevas sondas serían lanzadas por el cohete Protón-K, mucho más potente que el Mólniya-M empleado hasta ese momento. Los resultados no se hicieron esperar. En octubre de 1975, las Venera 9 y 10 (4V-1 nº 660 y nº 661) transmitieron las primeras imágenes de la superficie de otro planeta.

Cápsula de la Venera 7, la primera en sobrevivir en la superficie de Venus. Fue diseñada para soportar 150 atmósferas y 540º C.

Esquema de la sonda Venera 8 sobre la superficie. 

La sonda Venera 7 (3MV) con el vehículo orbital y la cápsula de aterrizaje.

Diseño de la serie 4V de sondas de aterrizaje Venera. La cubierta esférica es el escudo térmico. La mayor parte de equipos estaban instalados en el interior de la esfera interna de titanio. 1: escudo térmico d eablación; 2: anillo de aterrizaje; 3: instrumental científico; 5:antena en espiral; 6: compartimento de los paracaídas; 7: compartimento de instrumentos científicos par ael estudio de las nubes; 8: telefotómetro; 9: aparatos de servicio; 10: aislantes térmicos. 

Diseño del vehículo orbital 4V (la esfera con la sonda de aterrizaje aparece en la parte superior).1: aparato orbital; 2: cápsula del vehículo de descenso; 3: instrumentos científicos; 4: antena de alta ganancia; 5: tanques de combustible; 6: radiador; 7: sensor de orientación hacia la Tierra; 8: sensor estelar; 9: sensor solar; 10: antena de baja ganancia; 11: sección de instrumentación; 12: tanque del sistema de orientación; 13: radiador; 14: tobera del motor de orientación; 15: magnetómetro; 16: panel solar.

Preparando la sonda de aterrizaje de la Venera-10. Se aprecia el disco metálico que funcionaba como aerofreno y el anillo toroidal del tren de aterrizaje/amortiguador.

Complicada secuencia de descenso de las sondas Venera 4V.

La superficie de Venus vista por la Venera 9 (arriba) y Venera 10 (abajo). Estas fueron las primeras imágenes de la superficie de otro planeta que contempló la humanidad (Don P. Mitchell).

Para soportar las temperaturas y presiones de Venus, las sondas de aterrizaje Venera 4V-1 estaban formadas por una estructura principal de titanio con forma esférica rodeada por varias capas de material aislante con un grosor de 12 cm. Las distintas secciones de la esfera se habían sellado usando cable de oro y el interior estaba recubierto de una espuma aislante de poliuretano. El diseño esférico minimizaba las pérdidas térmicas y permitía soportar mejor la presión. Para disminuir la conducción térmica con la superficie, la esfera estaba apoyada en el anillo del tren de aterrizaje a través de soportes dotados de material aislante. Aunque se enfriaba el interior de la esfera hasta los -10º C antes de su separación del orbitador, la vida útil de las Venera estaba limitada a unas escasas dos horas. Básicamente, el tiempo que tardaba en subir la temperatura interna del vehículo hasta freír los sistemas de la sonda. La alta presión atmosférica no resultaba un problema para los avispados ingenieros de la época, pero sí la temperatura. Sin un sistema de refrigeración activo de alta potencia, las leyes de la termodinámica son implacables al respecto: cualquier sonda situada sobre la superficie de Venus terminará por sucumbir al asfixiante calor. Si tenemos en cuenta que las sondas Venera no estaban dotadas de un sistema de refrigeración activo, podremos empezar a entender la magnitud del logro del programa espacial soviético.

Representación artística de la sonda Venera 9 en la superficie.

No es de extrañar por tanto que los científicos soviéticos estuviesen extasiados ante los logros de la nueva generación de sondas y planeasen ir más allá. Pronto surgieron propuestas para lanzar una sonda que pudiera sobrevivir un mes entero en Venus, tiempo más que suficiente para realizar estudios de sismología y estudiar así la misteriosa estructura interior del planeta. La misión recibió el nombre provisional de DZhVS (Долгоживущая Венерианская Станция / DolgoZhivuschaia Venerianskaia Stantsia), «estación venusina de larga duración». Si por algún casual Venus resultaba ser un mundo con poca actividad sísmica, se estudió la posibilidad de mandar un artefacto nuclear dentro de otra cápsula Venera para «animar» un poco la actividad geológica hasta niveles adecuados a la sensibilidad de los instrumentos. Por supuesto, este proyecto fue descartado en virtud de los acuerdos internacionales que impedían la detonación de armas nucleares en el espacio, pero no se puede negar que la idea era ciertamente «impactante».

Proyecto de sonda de aterrizaje venusina para una duración de cinco días. 1: sumidero térmico; 2: aislante térmico; 3: sello hermético; 4: antena; 5: sistema de paracaídas;  6: escudo térmico; 7: sección con los equipos para controlar el descenso; 8: tren de atrrizaje; 9: equipos del contenedor de instrumentos (Novosti Kosmonavtiki).

Con el fin de conseguir que la vida útil de la sonda alcanzase un mes, los científicos soviéticos del Instituto de Investigación de Procesos Térmicos diseñaron sistemas eléctricos capaces de soportar temperaturas superiores a los 250º C. Junto con otras tecnologías desarrolladas por NPO Lávochkin, la oficina de diseño responsable de las sondas Venera, y el IKI (Instituto de Investigaciones Espaciales), los expertos consideraban posible lanzar la primera nave DZhVS a finales de los años 80. La sonda DZhVS debía estar dividida en dos partes principales. La sección superior contendría los instrumentos y la electrónica más sensible incapaz de aguantar altas temperaturas. Tras dos horas en la superficie, estos instrumentos dejarían de funcionar, pero entonces tomaría el relevo la sección inferior, con aparatos (principalmente sismógrafos) diseñados para resistir hasta un máximo de 500º C durante cuatro semanas y alimentados por un generador de radioisótopos (RTG) de 30 W. Para evitar que estos instrumentos alcanzasen la temperatura ambiente en pocas horas, la sección inferior esférica estaría construida como un vaso Dewar, resultado de hacer el vacío entre los dos cascos de titanio que formaban la estructura. La sonda también estaría diseñada para soportar los elevados niveles de corrosión de la superficie de Venus, derivados de la composición de la atmósfera ( dióxido de carbono principalmente). Decenas de institutos y centros de investigación de toda la URSS colaboraron en el proyecto DZhVS, pero lamentablemente el programa se paralizaría a principios de los 80 en favor de las misiones VeGa, más atractivas desde el punto de vista político.

Diseño final de la DZhVS para misiones de un mes de duración en Venus. 1: tren de aterrizaje; 2: RTG; 3: antena; 4: sistema de paracaídas; 5: escudo térmico; 6: aerofreno anular; 7: telefotómetro; 8: sección con instrumentos para una duración de 2-4 horas; 9: sección con instrumentos para una duración de un mes (Novosti Kosmonavtiki).

Si mandar una sonda venusina que pueda aguantar estas condiciones durante un mes te puede parecer un proyecto ambicioso, eso es porque no has oído hablar del Venerоjod (o Venerоkhod, Венерoход). Efectivamente, y aunque hoy nos pueda parecer increíble, la URSS llegó a contemplar seriamente la idea de mandar un vehículo con ruedas a un lugar tan hostil como la superficie de Venus. El instituto de investigación VNIITransmash analizó en profundidad la viabilidad de una misión de estas características. A raíz de los datos del instrumento PrOP-V -diseñado por el mismo VNIITransmash- con el que iban equipadas las sondas Venera se determinaron las características que debía poseer un rover venusino, como por ejemplo, los lubricantes adecuados para las partes móviles (los ingenieros eligieron varios tipos de lubricantes sólidos capaces de aguantar hasta 600º – 800º C).

Prototipo de Venerojod KM-VD alimentado por energía eólica (VNIITransmash).

Otra cuestión crucial era cómo proporcionar electricidad al vehículo. Los expertos consideraron acertadamente que los paneles solares serían inútiles en la escasamente iluminada superficie de Venus, así que se decantaron por la extravagante opción de usar energía eólica. Y es que aunque los vientos superficiales de Venus son muy débiles, la elevada densidad atmosférica permite sacarle partido a esta forma de energía.

Como resultado, el Venerojod estaría equipado con dos aerogeneradores y sus correspondientes sistemas de baterías. Curiosamente, se decidió no emplear RTGs por su elevada masa, aunque hubiesen sido la opción ideal desde el punto de vista energético. El equipo del proyecto Venerojod no se limitó a llevar a cabo cálculos teóricos, sino que se llegaron a construir dos prototipos de 160 kg y seis ruedas denominados VM-KhD (ВМ-ХД). Estos vehículos se probarían entre 1984 y 1987 en la península de Kamchatka junto a otros modelos de rovers planetarios, incluyendo varias versiones de Marsojods.

Vídeo sobre las pruebas en Kamchatka de varios prototipos de rovers soviéticos:
Tras la caída de la Unión Soviética, el programa ruso de exploración venusina despareció por completo. El relevo lo tomarían diversos equipos de investigación situados al otro lado del Atlántico y, en menor medida, en Europa. Durante casi dos décadas la NASA ha llevado a cabo numerosos intentos por sacar adelante algún tipo de misión para explorar la superficie de Venus, todos ellos infructuosos.

Si algo tienen en común estas propuestas es el uso de sistemas avanzados de refrigeración mediante RTGs. La NASA no se ha atrevido a seguir el ejemplo de sus colegas soviéticos de hace treinta años y, aunque ha estudiado el diseño de componentes electrónicos que puedan aguantar altas temperaturas, la nueva generación de sondas venusinas se apoyaría en los sistemas de refrigeración para funcionar durante días o meses. Eso sí, para economizar las magras reservas de plutonio de la NASA -la mayoría de origen ruso, por cierto-, las naves venusinas estarían equipadas con generadores de radioisótopos de tipo Stirling (ASRG), capaces de generar la misma potencia eléctrica que un RTG convencional con menos cantidad de material fisible.

Diseños de la NASA para una sonda venusina con ASRG. El parecido con las sondas Venera salta a la vista (NASA).

Funcionamiento del sistema de refrigeración de una sonda venusina empleando ASRG (NASA).

Los RTG de tipo Stirling son muy eficientes (NASA).

El aspecto externo de la mayoría de estas propuestas norteamericanas es extremadamente similar a los antiguos diseños soviéticos para las sondas Venera y DZhVS, algo que no debería sorprendernos. Al fin y al cabo, las leyes de la física son las mismas para los ingenieros de la NASA (aunque vale la pena recordar que cuando los ingenieros soviéticos dijeron lo mismo del Burán nadie les hizo mucho caso).

Diferentes diseños de sondas venusinas estudiadas por la NASA en estos últimos veinte años (NASA).

 
Propuesta de rover para la superficie de Venus con ASRG (NASA).

Además de sondas de aterrizaje fijas, la NASA ha estudiado varios diseños de rovers venusinos con ASRG, pero hoy por hoy nadie parece dispuesto a apostar por una misión de este tipo. Lo cierto es que actualmente no existe ninguna misión en firme para explorar la superficie de Venus. Cierto es que Rusia mantiene su intención de lanzar la misión Venera-D en un futuro próximo, pero todo depende del nivel de financiación que logre el proyecto. Diseñada por NPO Lávochkin, Venera-D continuaría la tradición de la exitosa familia de sondas Venera. En cuanto a la NASA, el pasado mes de mayo volvió a darle la espalda a Venus al seleccionar la misión OSIRIS-REx en detrimento de SAGE, una sonda de tipo New Frontiers.

Paradójicamente, hace treinta años parecía más fácil mandar una sonda a Venus que en la actualidad, pese a todos los avances técnicos que ahora tenemos a nuestra disposición. Pero claro, eran otros tiempos, cuando nada parecía imposible y la conquista del espacio era el deporte favorito de las dos superpotencias. Casi duele recordar que hace 26 años que un artefacto humano no visita la superficie de Venus. ¿Cuánto tardaremos en ver un vehículo moviéndose por el planeta vecino?

La superficie de Venus termina por destrozar cualquier sonda que se atreva a alcanzar la superficie (NASA).

Referencias:
  • Proekt Dolgozhivuschei Venerianskoi Stantsii, V. Perminov, N. Morosov (Novosti Kosmonavtiki, junio 2001).
  • Progress Towards the Development of a Long-Lived Venus Lander Duplex System, Rodger W. Dyson y Geoffrey A. Bruder (AIAA–2010–6917, NASA 2011).
  • Long-lived Venus lander technologies, Gary W. Hunter (NASA).
  • NPO Lavochkin.


33 Comentarios

  1. Una pregunta:

    Por que no utilizar esos 500º C de temperatura que Venus mismo brinda en vez de llevar un RTG u otras fuentes de energia principales?

    Seguro que razones debe haber, pero como completo ignorante que soy, me parece como querer llevar carbon para hacer un asado en un incendio forestal 😛

  2. Como bien dices Daniel Venus tiene una atmosfera muy corrosiva y por ende en si todo el planeta en si es como si fuera un Alien en potencia. Estas misiones són de muy alto riesgo «es decir las posibilidades de que algo salga mal y se vaya todo al garete són muy altas» y cuenta de sobremanera a la hora de mandar alguna sonda a este planeta y más en superficie para ejemplo la Venus Exprees este orbitador europeo lleva ya años en Venus ¿Alguien ha visto algo publicado de esta sonda en el ultimo año? Nada de nada, hay que reconocerlo tanto Venus,Urano y Neptuno són los marginados del sistema solar. Ojala me equivoque Daniel pero me apuesto lo que quieras a que tendremos que esperar como poco otros 30 años para ver algo humano en la superficie de Venus.

  3. Gran entrada.

    Lo del rover eólico me ha matado. Enorme. Estos soviéticos…

    Venus nos lo pone difícil, pero mandar algo ahí abajo de nuevo a hacer algo sería épico.

  4. Al que pregunta que porqué no se usa la temperatura de venus:
    Para obtener energía aprovechable (trabajo) se necesita una diferencia de temperatura, es decir, un foco caliente y otro frío. Por ejemplo en los coches el foco caliente es la combustión de la gasolina y el frío la atmósfera.
    Aprovechamos el «movimiento» del calor, no el calor en sí.

    Con la presión pasa exactamente lo mismo.

  5. Es curioso que el proceso para terraformar Venus tendría objetivos contrarios al de para terraformar Marte. Menos calor y atmósfera en el primero, más en el segundo. Me gusta la idea de las detonaciones nucleares. Robert Zubrin las consideró para Marte, pero las desechó por poco prácticas. Imagino que en los siglos venideros, organismos genéticamente modificados harán todo el trabajo.

  6. @anónimo5: Basicamente la misión Venus Express esta realizada, pero como la mayoría de los instrumentos de la nave funcionan, todavía hay combustible y no hay ninguna otra sonda terrestre orbitando Venus, pues se amplia la misión hasta 2012 y a seguir.

  7. Coincido con Octopus en el asunto de las terraformaciones de Venus y Marte. La ingienería planetaria para uno y otro tendría que ser justamente la contraria. Y me pregunto…¿Verán en el futuro nuestros descendientes el primer transvase planetario de atmósferas entre Venus y Marte? Sería curioso aunque, al menos por ahora, inviable!

    Pero da que pensar que dentro del cinturon «habitable» de nuestro sistema solar haya tres situaciones tan dispares…¡Y en planetas tan cercanos entre sí! (al menos, astronomicamente hablando, claro!)

    En fin, debo decir que Venus me parece, a efectos de «conquista» espacial, un objetivo más interesante que Marte; primero, por ser el «gemelo» de la tierra y tener atmósfera, y segundo, porque deberíamos estudiar y saber que fué exactamente lo qué pasó, o no pasó, en este planeta para ser el infierno del sistema solar y sin embargo, justo al lado, hallarse el «vergel» que es nuestra querida Tierra.

    Claro que Marte es más accesible que Venus, así que al final llegaremos (algún día lejano) primero al planeta rojo (donde se nos acumula el trabajo) y ya, «si eso», daremos el paso a Venus.

  8. La verdad es que, para una atmósfera tan densa como la de Venus, me parece una mejor idea enviar un globo (ya posteaste un artículo sobre el globo enviado por la URSS en Marzo). Pero un globo, mezclado quizás con una tecnología como la del avión solar, aprovechando las corrientes convectivas de la atmósfera del planeta y diseñado para quedarse en Venus durante años.

    Lamento discrepar con el anónimo, pero el diseño eólico Venerajod KM-VD no me parece demasiado estable (Un golpe de viento puede volcarle) y el diseño de las hélices resulta obsoleto (Recuerda un poco a los molinos mallorquines). Hoy en día existen diseños de eje vertical seguramente más adecuados.

  9. Sergei, en las capas altas de la troposfera hay nubes de ácido sulfúrico. Tu globo seguramente debería andar por encima, a unos 60 km de altitud (donde, por cierto, la temperatura y presión son similares a las terrestres). Lo malo es que vería poco más que un satélite, con esa capa de nubes.

  10. .-Es increíble lo hostil de la atmósfera de Venus. No sé si algún día podremos viajar e instalarnos en una planeta de condiciones parecidas a las de la Tierra; y aunque ya se ha descubierto algún planeta de atmósfera y composición similar, no sé tampoco si avanzaremos tecnológicamente lo suficiente para poder ir y allí quedarnos.

    .-Saludos desde «Cosas y Casos» y te felicito por este buen post.

  11. @lamperez: Lo del globo ya se hizo en venus.

    http://danielmarin.blogspot.com/2011/03/el-primer-globo-en-otro-mundo.html

    Solamente hay que mejorarla con un sistema que permita a la solda seguir volando sin depender del helio. (Por ejemplo, un avión que funcione con energía solar o un híbrido globo/avión).

    http://www.elperiodico.com/es/noticias/sociedad/avion-solar-impulse-alimentado-por-energia-solar-realiza-primer-vuelo-internacional-entre-suiza-belgica-1004571

    Teniendo en cuenta que el dia en venus dura 243 dias terrestres, no creo que sea muy complicado mantener al avión siempre almimentado de luz solar. Por otra parte, seguro que existen corrientes convectivas de «aire» del ecuador a los polos venusianos muy interesantes -del estilo a la corriente del golfo en la tierra.

    Puede que tengas razón en el asunto de la visibilidad, pero seguro que un radar daría muy buena información.

  12. ¡Gracias por los comentarios!

    @Anónimo: el objetivo principal de una sonda venusina de larga duración es llevar a cabo estudios sísmicos y analizar la variabilidad de las condiciones climáticas del planeta.

    @Anónimo: las leyes de la termodinámica nos dicen que para aprovechar una fuente de calor (en este caso la superficie de Venus) necesitamos una región de menor temperatura. En caso contrario no podemos diseñar un motor que aproveche esta energía. Puesto que en la superficie de Venus no existen regiones así, sólo podemos usar la atmósfera como sumidero de calor, es decir, como fuente fría. Y en este caso necesitamos otra fuente a una temperatura aún mayor, como puede ser un RTG.

    @Anónimo: me temo que los problemas con la Venus Express no son técnicos o debidos a la falta de interés científico de los datos, sino que se originan en una política de divulgación bastante deficiente.

    @cienciaficciónuruguaya: escribí sobre la Mars 3 en esta entrada.

    @EdgarAlonso: sobre sondas soviéticas hay unos cuantos libros, pero la mayoría incompletos. No he encontrado ningún libro donde se hable en detalle de la DZhVS, por ejemplo.

    Saludos.

  13. No olvidemos que Venus ya se mapeó por radar (Magallanes, venus 15 y 16 ) y se le llamaba «el planeta del millón de volcanes»).
    Lo de los generadores eólicos es tan simple como útil; en la antigua y «gloriosa» URSS iban a lo práctico al 100%. Si no recuerdo mal las cápsulas rusas «sudaban», es decir llevaban un compuesto (¿álguien sabe cuál y cómo era el mecanismo?) sólido que para prolongar la vida de la nave al fundirse absorbía calor.

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Por Daniel Marín, publicado el 4 septiembre, 2011
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