Construyendo una nave capaz de sobrevivir en la superficie de Venus

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. Como trivia, cuando el programa Venera empezó, de Venus se sabia tan poco que «Venus es un pantano tropical lleno de dinosaurios» era una posibilidad. Así que la la primer Venera fue diseñada para flotar. Hay metraje por ahi de unas pruebas donde sueltan una maqueta desde una grua al mar.

  2. Excelente articulo Daniel, a mi parecer las sondas veneras forman parte de los mejores años de exploracion espacial humana y sovietica. Otro punto mas para ellos que no se les tuvo en cuenta a la hora de dar un ganador de la carrera espacial. Muy buen articulo!!!

  3. Algo que me sorprende es el número de Veneras lanzadas, también me pregunto si todo Venus tiene esas temperaturas infernales, no seria posible mandar una sonda que «aterrize» en los polos y del lado nocturno, para que de este modo no tenga que soportar las temperaturas de 500º, ademas con una noche que dura mas de 120 días y podría ser esta su duración.

  4. @Anónimo: con lo de «sudar» me da que te refieres al escudo térmico de ablación.

    @Gouki: ¡interesante artículo!. Gracias por compartirlo. Podría ser una solución para una mision a Venus de corta duración (o un globo), pero para misiones de larga duración los paneles solares no son muy efectivos, aún en IR (la noche venusina dura varios meses).

    @xopxe: sí. Puse el vídeo por aquí: http://danielmarin.blogspot.com/2008/02/recordando-la-venera-4.html

    @Anónimo: desgraciadamente, la temperatura superficial de Venus, a cualquier latitud e incluso de noche es casi la misma.

    Saludos.

  5. Debe haber sido todo un momento, cuando la Venera 4 bajaba y transmitía temperaturas y presiones cada vez mayores. Y el suelo no aparecía… Me imagino en el centro de control:
    – falta mucho?
    – falta mucho?
    – ya llegamos?
    – falta mucho?

    – Joooooo-der.

  6. Las noticias de la investigación espacial cada vez son más deprimentes, el dinero que entonces parecía haber para estas aventuras, de pronto ha desaparecido, incluso en aquella época el programa armamentístico consumía cantidades ingentes que ahora tampoco son necesarias. ¿ QUE ESTA PASANDO?

    Si no fuera por parecer conspiranoico, es como si hubiera un interés externo, en que los programas espaciales pierdan fuelle y que la humanidad, se dedique a mirarse el ombligo y navegar por Internet, creando realidades virtuales alternativas, pero olvidando la aventura verdadera que está ahí fuera.

  7. Soy un estudiante que esta tarde presenta su proyecto fin de master en Cranfield University en inglaterra imaginaos mi sorpresa al descubrir este articulo teniendo en cuenta que el tema de mi proyecto es la selección de vehiculos aereos para explorar Venus, ya os mandare si eso algo que es tambíen muy interesante sobre los globos que la Union Sovietica mando a Venus dentro de las increibles misiones Vega 1 y Vega 2. Buen articulo, enhorabuena!

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 4 septiembre, 2011
Categoría(s): ✓ NASA • Rusia • Sistema Solar • sondasesp • Venus