Los 14 proyectos revolucionarios de la NASA para profundizar la exploración espacial

Detrás de cada nuevo cohete espacial, de cada mejora tecnológica en satélites y naves que visitan otros mundos, de los cada vez más sofisticados rovers que ruedan sobre Marte y la Luna, y de cada proyecto innovador espacial hay muchos años de trabajo y planificación.

Eso la NASA lo sabe y por ello financia los futuros planes que buscan ser una realidad, mediante diferentes concursos, becas y proyectos de financiación de conceptos visionarios para la exploración espacial que algún día podrían resultar útiles, y tal vez incluso transformadores.

El programa de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA es uno de ello, y ahora proporciona fondos para estudios en etapas iniciales sobre tecnologías que podrían respaldar futuras misiones. Esta semana se conoció que la NIAC otorgará subvenciones por un valor de 175.000 dólares para cada una de las 14 investigaciones que están empujando los límites de lo que es posible hoy y puedan crearse nuevas tecnologías en un futuro cercano.

Los proyectos de este año incluyen ideas como nuevos telescopios espaciales, compuestoa por miles de pequeños satélites idénticos que utilizan el concepto de interferometría, innovadores motores a propulsión por haz de pellets y hasta un hidroavión que en lugar de tomar agua podría recoger metano de la luna de Saturno, Titán. “La NASA se atreve a hacer posible lo imposible. Eso solo se puede lograr gracias a los innovadores, pensadores y hacedores que nos ayudan a imaginar y prepararnos para el futuro de la exploración espacial”, dijo el administrador de la NASA, Bill Nelson, en un comunicado publicado el mes último.

“El programa NIAC ayuda a brindar a estos científicos e ingenieros con visión de futuro las herramientas y el apoyo que necesitan para impulsar la tecnología que permitirá futuras misiones de la NASA”, agregó Nelson. Estos son los proyectos financiados por la NASA en 2023.

La próxima generación de grandes observatorios espaciales en el espacio requerirá de telescopios cada vez más grandes. El flamante Telescopio Espacial James Webb (JWST) es un claro ejemplo de esta afirmación. Fue necesario plegarlo para que pueda viajar dentro de un cohete, para luego ser desplegado y armado como un gigante origami en el espacio, a 1,5 millones de kilómetros.

Los objetivos astrofísicos de mayor prioridad para observar y estudiar en detalle, incluidos los exoplanetas similares a la Tierra, las estrellas de primera generación y las galaxias tempranas, son todos muy débiles, lo que presenta un desafío para los telescopios actuales y de próxima generación. La próxima misión insignia de Astrofísica de la NASA realizará espectroscopia de imágenes directas de exoplanetas, pero no está diseñada específicamente para planetas potencialmente habitables.

El proyecto del telescopio fluídico (FLUTE) propone un concepto de misión para un observatorio espacial con un espejo primario no segmentado de gran apertura (50 metros) adecuado para una variedad de aplicaciones astronómicas. El espejo se crearía en el espacio a través de un enfoque novedoso basado en la formación de fluidos en microgravedad, que ya se ha demostrado con éxito en un entorno de flotabilidad neutral de laboratorio, en vuelos parabólicos de microgravedad y a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés). Teóricamente invariable a escala, esta técnica ha producido componentes ópticos con una excelente calidad de superficie subnanométrica (RMS). En el estudio de la Fase I, analizará las opciones adecuadas para los componentes clave del observatorio de 50 m, desarrollará su concepto de misión detallado y creará un plan inicial para una demostración de nave espacial pequeña de subescala en órbita terrestre baja (LEO).

La idea consiste en utilizar el mecanismo de propulsión y levitación fotoforética para crear vehículos voladores sin partes móviles que puedan usarse para explorar la atmósfera superior de la Tierra. Recientemente, se demostró la levitación de placas de escala centimétrica usando la fuerza fotoforética a una variedad de presiones de aire.

La fuerza fotoforética surge cuando un sólido se calienta en relación con el gas ambiental a través de la iluminación, lo que induce un intercambio de cantidad de movimiento entre el sólido y el gas. La fuerza crea sustentación en estructuras que absorben la luz en la parte inferior pero se mantienen frías en la parte superior. Se diseñaron metamateriales mecánicos de placa para maximizar esta fuerza de sustentación y carga útil.

Con una mayor optimización, nuestros microvoladores levitados fotoforéticamente podrían permanecer en el aire durante períodos prolongados utilizando la luz natural del Sol durante el día, o incluso indefinidamente si el microvolador está diseñado para ascender durante el día y descender durante la noche.

La NASA tiene el proyecto de estudiar los casquetes de hielo de muchos kilómetros de espesor en su búsqueda de vida extraterrestre. Estos mundos, en particular Ceres, Encelado, Plutón y Europa, tienen casquetes de hielo estimados en hasta 40 km de profundidad con un océano de agua líquida debajo, probablemente calentado por las fuerzas de marea del planeta padre o, en el caso de Plutón o Ceres, residuos radiactivos. Según los expertos, estos cuerpos son únicos donde el vacío espacial se encuentra con el hielo, con superficies estriadas que muestran evidencia de actividad tectónica y desgasificación inducida por tensión.

El proyecto propone crear una sonda de calentamiento o perforación para acceder a los océanos debajo de las plataformas heladas. La sonda debe lidiar con el hielo hidrostático y la presión del agua, proporcionar comunicaciones de superficie y un retorno de muestra a la superficie. Al llegar al océano, la sonda puede encontrar formas de vida extraterrestre que intentan metabolizar la materia.

Los investigadores del proyecto Icy World han propuesto utilizar una sonda calentada de propulsión nuclear. Sin embargo, en lugar de requerir la fuente de calor de radioisótopos de plutonio-238 o un reactor de fisión de uranio-235 enriquecido, con costos de seguridad de lanzamiento significativos, proponen hacer uso de la fuente de Fusión de Confinamiento de Lattice (Lattice Confinement Fusion) utilizada para la fisión rápida eficiente de uranio empobrecido o torio, en una matriz de litio fundido.

El reactor nuclear de fisión rápida de fusión híbrida resultante será más pequeño que un reactor de fisión tradicional donde se necesita una fuente de energía de menor masa y proporcionará una operación eficiente con el calor residual térmico de la sonda de calor del reactor para derretir a través de la plataforma de hielo hasta los océanos bajo el hielo.

Los grandes satélites actuales que se utilizan en las aplicaciones de comunicaciones y detección, se empaquetan para el lanzamiento y luego se despliegan una vez en órbita. Las ventajas y desventajas del tamaño y la precisión de la superficie limitan dichos reflectores desplegables a diámetros de decenas de metros.

Mediante el uso de un método de fabricación novedoso y materiales avanzados para reflectores de alto rendimiento con dimensiones superiores a 100 m, se busca crear una estructura novedosa. La técnica de fabricación en el espacio propuesta, Bend-Forming, inventada en el MIT por los PI, se basa en una combinación de procesamiento de deformación CNC y materiales jerárquicos de alto rendimiento para formar armaduras rígidas y livianas en las que cada miembro es también un actuador electrostático direccionable individualmente.

Las estructuras grandes curvadas, además de su precisión nativa, pueden usar sus actuadores electrostáticos para contornear una superficie reflectora. Además, las estructuras inteligentes resultantes, que están habilitadas de manera única por el entorno espacial, aprovechan los materiales multifuncionales para lograr combinaciones sin precedentes de tamaño, masa, rigidez y precisión, rompiendo los paradigmas de diseño que limitan las estructuras espaciales convencionales o alineadas por tensión.

Esta capacidad superaría con creces la tecnología de radiometría de microondas existente, proporcionando sondeos continuos y mediciones de precipitación tanto en condiciones despejadas como nubladas, con frecuencias de actualización muy rápidas. Estas observaciones conducirán a mejoras significativas en los pronósticos de tormentas, así como a una mejor comprensión de los procesos atmosféricos relacionados con el ciclo hidrológico.

La sostenibilidad del programa Artemis y su objetivo de desarrollar una presencia humana permanente en la Luna depende de la capacidad de utilizar recursos in situ para reducir el costo y el riesgo de las operaciones lunares. La NASA y el gobierno de EEUU han invertido millones de dólares para desarrollar la capacidad de extraer oxígeno del regolito lunar y agua del hielo lunar. La idea es que el oxígeno se utilizará para: 1) hábitats humanos, rovers, otros sistemas de soporte vital con un suministro constante de oxígeno de alta pureza para consumo humano; 2) oxidante para vehículos de lanzamiento que parten de la Luna. Está previsto que estas tecnologías de extracción de oxígeno se demuestren a gran escala en la Luna a partir de 2024 y brinden apoyo directo a los astronautas de Artemis a partir de 2026.

Los esfuerzos financiados actuales para la extracción de oxígeno in situ consisten en embotellar el oxígeno en tanques de gas comprimido o licuarlo y almacenarlo en dewars. Cualquiera de los enfoques requiere el transporte de tanques o dewars a varias instalaciones para su uso. El proceso de mover este oxígeno en los rovers consume más energía que el proceso de extracción y se cree que es el aspecto más costoso en la obtención de oxígeno in situ para su uso en la Luna, considerando las largas distancias (1 a 10 km) que recorrerá un área de extracción de recursos al lugar del hábitat humano.

Por ello, uno proyecto propone crear una tubería de oxígeno en el Polo Sur Lunar (L-SPoP). “Planeamos explorar y evaluar múltiples arquitecturas de sistemas para un oleoducto lunar, identificar tecnologías habilitadoras y de mejora, y producir una hoja de ruta integral para desarrollar esta infraestructura innovadora. Nuestro concepto inicial es un gasoducto de 5 km para transportar oxígeno gaseoso desde una fuente de producción de oxígeno, por ejemplo, nuestro sitio de extracción de electrólisis de regolito fundido (MRE) o cualquier otra fuente, hasta una planta de licuefacción/almacenamiento de oxígeno cerca de una base lunar”, indican sus idelólogos.

El sistema L-SPoP se compone de segmentos de tubería fabricados in situ que se sueldan o ajustan entre sí para cubrir la distancia de 5 km. El oleoducto se diseñará para: 1) construirse robóticamente a partir de metales derivados del regolito con un mínimo de material transferido desde la Tierra, 2) ser reparable robóticamente, 3) tener una tasa de flujo de oxígeno de ~2 kg/hora que es acorde con la NASA inicial necesidad proyectada de 10,000 kg/año, 4) operar con energía mínima durante la vida útil de la tubería,

Esta propuesta examina una nueva arquitectura de propulsión para el tránsito rápido de cargas útiles pesadas (1 tonelada y más) a través del sistema solar y el medio interestelar. “Inspirándonos en el concepto de haz de vela, creamos un haz de gránulos: un haz de partículas microscópicas a hipervelocidad (>120 km/s) propulsadas por ablación láser. El haz de perdigones luego empuja una nave espacial a las órbitas y destinos deseados, incluidas las trayectorias de salida rápida”, indican sus ideólogos que afirman las extremas velocidades que pueden alcanzar las naves con esta tecnología.

“La exploración espacial se ve obstaculizada por las limitaciones de la ecuación del cohete. De hecho, solo dos sondas espaciales abandonaron la heliosfera y entraron en el medio interestelar. La Voyager 1 tardó 35 años en alcanzar la heliopausa a una velocidad récord de 3,6 AU/año. Pellet-beam tiene como objetivo transformar la forma en que se explora el espacio profundo al permitir misiones de tránsito rápido a destinos lejanos. Con el haz de gránulos, los planetas exteriores se pueden alcanzar en menos de un año, 100 AU en aproximadamente 3 años y la lente de gravedad solar a 500 AU en aproximadamente 15 años. Es importante destacar que, a diferencia de otros conceptos, el haz de pellets permite impulsar naves espaciales pesadas (~ 1 tonelada), lo que aumenta sustancialmente el alcance de las posibles misiones”, sostienen los expertos.

La propulsión térmica nuclear (NTP) se identifica como la tecnología de propulsión preferida para las misiones tripuladas en todo el Sistema Solar. La propulsión eléctrica nuclear (NEP) puede proporcionar impulso extremadamente alto (>10 000 segundos) pero con un empuje bajo y límites en las relaciones masa/potencia. La necesidad de una fuente de energía eléctrica también agrega el problema del rechazo de calor en el espacio donde la conversión de energía térmica es, en el mejor de los casos, del 30 al 40 % en condiciones ideales.

“Para ello se propone un nuevo ciclo topping Wave Rotor (WR) que promete ofrecer un empuje similar al de la propulsión NTP de clase NERVA. Este diseño bimodal permite el tránsito rápido de misiones tripuladas (45 días a Marte) y revolucionará la exploración del espacio profundo de nuestro sistema solar”, sostienen sus creadores.

Para construir el hábitat monolítico ubicado en Marte, la NASA tiene un historial de experimentar con hábitats inflables livianos para reducir la masa y el volumen. Sin embargo, las estructuras físicas utilizadas para equipar el inflable generalmente deben ser lanzadas por una segunda nave espacial. El nuevo proyecto de investigación propone que, en lugar de enviar elementos de equipamiento prefabricados a Marte, el equipamiento del hábitat se puede realizar mediante la construcción in situ utilizando cianobacterias y hongos como agentes de construcción.

Se emplearán herramientas de biología sintética para crear un sistema de líquenes sintéticos, compuesto por cianobacterias diazotróficas y hongos filamentosos, para producir abundantes biominerales (carbonato de calcio) y biopolímeros, que pegará el regolito marciano en bloques de construcción consolidados. Estos bloques de construcción de crecimiento propio se pueden ensamblar más tarde en varias estructuras, como pisos, paredes, tabiques y muebles.

En este sistema autosustentable de líquenes sintéticos, cada participante soporta diferentes funcionalidades. Las cianobacterias son principalmente responsables de 1) capturar dióxido de carbono y convertirlo en iones de carbonato y 2) proporcionar oxígeno y compuestos orgánicos para sostener hongos filamentosos. Los hongos filamentosos son los principales responsables de 1) unir los iones de calcio a las paredes celulares de los hongos y servir como sitios de nucleación para la deposición de carbonato de calcio y 2) ayudar a la supervivencia y el crecimiento de las cianobacterias proporcionándoles dióxido de carbono adicional y reduciendo su estrés oxidativo. Además, ambos participantes secretan sustancias poliméricas extracelulares que mejoran la adhesión entre las partículas de regolito y los precipitados de carbonato de calcio y la cohesión entre las partículas precipitadas. La primera innovación de este proyecto es utilizar hongos filamentosos, en lugar de bacterias, como productores de biominerales.

La segunda innovación de este proyecto es explorar una tecnología de crecimiento autónomo totalmente autónoma mediante la creación de un sistema de líquenes sintéticos y el uso de interacciones mutualistas entre las cianobacterias diazotróficas fotoautotróficas y los hongos filamentosos heterótrofos. Esta tecnología no solo tiene una importancia significativa para los futuros colonizadores de nuevos planetas, sino que también juega un papel fundamental para enfrentar los desafíos en nuestro propio planeta al revolucionar la logística militar y la construcción en entornos remotos, austeros, de alto riesgo y posteriores a un desastre.

La humanidad nunca antes había visto el cielo de radio de baja frecuencia. Está oculto a los telescopios terrestres por la ionosfera de la Tierra y es difícil acceder desde el espacio con las misiones tradicionales porque las largas longitudes de onda involucradas (escala de metros a kilómetros) requieren telescopios imposiblemente masivos para ver con claridad. La radiación electromagnética en estas bajas frecuencias transporta información crucial sobre los campos magnéticos exoplanetarios y estelares (un ingrediente clave para la habitabilidad), el medio interestelar/intergaláctico y las primeras estrellas y galaxias.

El Gran Observatorio de Longitudes de Onda Largas (GO-LoW) propone una matriz interferométrica de miles de SmallSats idénticos (pequeños satélites) en el punto de Lagrange Tierra-Sol para medir los campos magnéticos de los exoplanetas terrestres mediante la detección de sus emisiones de radio a frecuencias entre 100 kHz y 15 MHz. Cada nave espacial llevará una innovadora antena de sensor vectorial (VSA), que permitirá el primer estudio de los campos magnéticos exoplanetarios.

Imagínese un hidroavión espacial, que en lugar de buscar agua, busque metano en un mundo lejano. La misión de hidroavión de bajo costo, con un enfoque en la ciencia atmosférica y lacustre, podría abordar preguntas importantes específicas que aún no se abordan en ninguna misión a Titán, la gran luna de Saturno.

Científicos piensan que se puede usar una linterna para ver en las regiones oscuras de la Luna para comprender mejor de qué están compuestas esas áreas. En el caso de este proyecto, la linterna utiliza una longitud de onda de luz más corta, un rayo X/rayo gamma, que es producido pasivamente por un radioisótopo.

La tecnología innovadora es el radioisótopo EmberCore que está siendo desarrollado por la empresa Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) para permitir la supervivencia en la noche lunar al mantener calientes a los rovers lunares y a los módulos de aterrizaje durante la fría noche.

Actualmente es imposible encontrar planetas similares a la Tierra en las zonas habitables (donde la temperatura soporta agua líquida) de estrellas similares al Sol. Es aún más difícil medir la composición de sus atmósferas. Pero esto es necesario si queremos encontrar vida como la conocemos en otros mundos, o encontrar otro planeta que podamos habitar fácilmente.

El diseño novedoso de un nuevo proyecto, llamado Diffractive Interfeo Coronagraph Exoplanet Resolver (DICER), podría hacer posible encontrar la “Tierra 2.0″. Encontrar un exoplaneta como la Tierra requiere un telescopio espacial muy grande que pueda hallar un planeta similar desde una estrella igual al Sol a distancias de al menos 30 años luz. La detección de un exoplaneta análogo a la Tierra también requiere que se bloquee la luz de la estrella para que no abrume la luz del planeta; en el infrarrojo, donde la Tierra es más brillante en luz emitida, el Sol es un millón de veces más brillante que nuestro mundo.

Una misión espacial infrarroja permitiría observar planetas similares a la Tierra desde una estrella anfitriona similar al Sol a la distancia requerida, lo que permitiría el descubrimiento de planetas con órbitas frontales. Sin embargo, lanzar y desplegar un telescopio espacial de clase 20 m no es tecnológicamente factible en este momento porque es muy difícil llevar espejos de telescopio tan grandes al espacio.

DICER alcanza el límite de difracción de ópticas de ~20 metros de longitud, mientras que requiere dos espejos que tienen solo unos pocos metros de diámetro; en cambio, la luz se recoge con dos o más rejillas de difracción planas de diez metros de longitud.

En este proyecto se busca demostrar la viabilidad de una fuente de energía revolucionaria para misiones a los planetas exteriores utilizando un nuevo paradigma en la conversión de energía térmica, la celda termorradiativa (TRC). Este dispositivo, impulsado por una fuente de calor de radioisótopos, permitirá un aumento de un orden de magnitud en la potencia específica de masa (~30 frente a ~3 W/kg) y una disminución de tres órdenes de magnitud en el volumen (~0,2 frente a ~212 L) en comparación a un generador térmico de radioisótopos multimisión convencional.

Esta tecnología permitirá la proliferación de pequeñas naves espaciales versátiles con requisitos de energía que no cumplen los paneles fotovoltaicos. Esto permitirá directamente misiones de satélites pequeños a los planetas exteriores, así como operaciones en la sombra permanente, como los cráteres lunares polares.

Este estudio investigará la termodinámica y la viabilidad del desarrollo de una fuente de energía termorradiativa habilitada por radioisótopos centrándose en el tamaño, el peso y la potencia (SWaP) del sistema, así como en el crecimiento de materiales identificados.

Para hacer frente a la necesidad urgente de soluciones de propulsión avanzada, los presentadores de este proyecto proponen el desarrollo de un motor de cohete de fragmentos de fisión nuclear (FFRE) que es exponencialmente más eficiente en cuanto a propulsión que los motores de cohete que se utilizan actualmente para propulsar los vehículos espaciales actuales y podría lograr un impulso específico muy alto (>100.000 seg) a alta densidad de potencia (>kW/kg).

Los diseños actuales propuestos para los motores de cohetes de fragmentos de fisión son prohibitivamente masivos, tienen restricciones térmicas significativas o requieren la implementación de diseños complejos, como la levitación de plasma polvoriento, lo que limita la viabilidad a corto plazo.

Pero, un pequeño prototipo de núcleo de reactor nuclear de baja densidad podría convertir la energía nuclear almacenada en un material fisible en un escape de cohete de alta velocidad y energía eléctrica para cargas útiles de naves espaciales.

El programa NIAC comenzó en 2011 y está financiado por la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA.

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