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¿Por qué se calientan tanto las naves espaciales al volver a la Tierra? El calor de reentrada

Categoría: Espacio y astronomía

Cuando una sonda regresa desde un asteroide, su cápsula parece una bola de fuego brillante vista desde el suelo. A menudo se explica este calor como "fricción con el aire", pero las fuentes señalan que la causa principal es que el aire frente a la nave se aplasta repentinamente [2]. Entonces, ¿por qué el interior de la cápsula permanece casi a temperatura ambiente mientras atraviesa temperaturas extremas? Este artículo te muestra la verdadera naturaleza del calor y cómo la forma roma, los materiales que se erosionan y las baldosas reutilizables actúan como escudos protectores.

1. ¿Viene de la fricción el calor de la bola de fuego de la cápsula Hayabusa 2?

La cápsula de Hayabusa 2 es un pequeño contenedor de unos 40 cm de diámetro, 20 cm de alto y pesa aproximadamente 16 kg [7]. Durante su reentrada en la atmósfera, se observó desde el suelo como una bola de fuego similar a una estrella fugaz [7]. Mucha gente cree que brilla y se calienta tanto porque roza con el aire. Sin embargo, los materiales que explican el calor de la reentrada indican que la causa principal es la fuerte onda de choque que se forma frente a la nave, aplastando el aire repentinamente [2]. Esta explicación sugiere que la fricción no es la protagonista.

No podemos afirmar categóricamente que "la fricción es cero", ya que debemos considerar por separado la fricción a bajas velocidades y la luz emitida por gases calientes. No obstante, el punto de partida es que la mayor parte del calor proviene de la compresión [2].

2. ¿Cuánto se calienta el aire al comprimirse, como en una bomba de bicicleta?

Imagina una bomba de bicicleta: si bloqueas la salida y empujas, el aire dentro se contrae y te devuelve un fuerte impulso. El aire comprimido también aumenta su temperatura simultáneamente. Durante la reentrada, esto ocurre de golpe frente a la nave. Al pasar por la onda de choque que se forma delante del vehículo, la densidad del aire puede aumentar entre 50 y 100 veces según la velocidad, y se estima que el gas comprimido alcanza más de 6,000 K (aproximadamente 5,700 °C) [2].

Al leer estos números, es importante distinguir los lugares. Los más de 6,000 K se refieren a la temperatura del gas frente a la nave. En cambio, se estima que la superficie frontal de la cápsula de Hayabusa 2 alcanza unos 3,000 °C [1]. Son cifras de lugares diferentes, por lo que se refieren a lugares distintos.

3. Cómo una forma roma y rechoncha reduce el calor en las cápsulas

Solemos pensar que los objetos rápidos deben tener puntas afiladas. Sin embargo, las cápsulas que regresan del espacio no tienen puntas; son rechonchas. La razón es que frente a una forma roma (sin punta), se forma una onda de choque fuerte pero separada de la nave. Una capa gruesa de aire caliente entra entre la nave y el flujo frontal, dispersando el calor lejos hacia adelante en la corriente del vehículo y reduciendo la cantidad de calor transmitido al cuerpo [4].

Se presenta que esta idea fue concebida por Harvey Julian Allen del Instituto Ames de la NASA, a partir de estudios sobre la reentrada de misiles balísticos. No obstante, algunos documentos mencionan el trabajo conjunto con otros investigadores, por lo que no se puede atribuir el hallazgo a una sola persona [4]. En 1958, Maxime Faget propuso la idea de reentrar en la atmósfera con vehículos de formas simples y romas, argumentando que los astronautas podrían evitar calentamientos y aceleraciones peligrosas [5]. Desde el diseño de aviones de esa época, esto fue un gran cambio. Se dice que esta idea se aplicó en las naves del Proyecto Mercurio, el primer programa espacial tripulado de Estados Unidos [5].

Según los registros de la NASA sobre "Apollo Expeditions to the Moon", Maxime Faget propuso en 1958 reentrar con formas romas simples para proteger a los astronautas del peligro. Nota de seguridad: Esta es una explicación histórica; siempre debemos seguir las instrucciones de seguridad actuales.

4. Por qué los materiales que se erosionan mantienen casi frío el interior de la nave

Incluso con una forma roma, la parte frontal alcanza temperaturas cercanas a miles de grados Celsius. Para protegerla, se utilizó un método donde la placa térmica misma está hecha de material que se erosiona. Al recibir calor, la superficie se quema, se funde o se convierte en gas y se desprende, llevándose el calor consigo [2]. Las cápsulas de Mercurio, Géminis y Apolo utilizaron este tipo de escudo térmico ablativo [2].

En la cápsula de Hayabusa 2, el escudo térmico está hecho de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), compuesto por dos placas: una frontal y una trasera. Al recibir calor intenso, la superficie se funde y carboniza; al descomponerse en gas, consume parte del calor, dificultando que este llegue al interior [1]. Como la parte frontal es más caliente, la carbonización avanzó más en esa zona [1].

Durante el vuelo, las mediciones mostraron que el interior de la cápsula se mantuvo sin superar mucho la temperatura ambiente. Los encargados informaron que el lado interno del escudo térmico estaba en un estado muy limpio [1]. Este contraste entre el exterior caliente y el interior casi a temperatura ambiente es el resultado del trabajo de los materiales ablativos.

5. ¿En qué condiciones regresa a la Tierra la nave Orión con tripulación?

La superficie exterior de la nave de comando Apolo alcanza unos 5,000 °F (aproximadamente 2,760 °C) durante la reentrada. La superficie externa del escudo térmico de Orión también alcanza unos 5,000 °F [3]. Esto equivale a aproximadamente la mitad de la temperatura superficial del Sol [3].

La velocidad de regreso es de unas 25,000 millas por hora (aproximadamente 40,000 km/h), y en pocos minutos se desacelera hasta unas 300 millas por hora (aproximadamente 480 km/h) [3]. A pesar de esto, el lado posterior del escudo térmico permanece en 200 °F (aproximadamente 93 °C) [3].

El material ablativo llamado Avcoat se quema y erosiona de forma controlada durante la reentrada, transportando el calor lejos de la nave. Bloques de Avcoat cubren el exterior con un grosor de 1 a 3 pulgadas (aproximadamente 2.5 a 7.6 cm) [3]. La NASA presenta que este escudo térmico se finalizó tras unos 15 años y 1,000 pruebas [3].

6. Por qué el Transbordador Espacial usó baldosas para poder reutilizarse

Los materiales ablativos se consumen tras un solo uso. Para el Transbordador Espacial, diseñado para volar múltiples veces, no se usaron materiales ablativos, sino baldosas de cerámica de sílice (vidriosa) [6]. Las baldosas negras soportan hasta unos 2,300 °F (aproximadamente 1,260 °C), y las blancas hasta unos 1,200 °F (aproximadamente 650 °C) [6].

Se instalaron aproximadamente entre 20,000 y 30,000 baldosas. Dado que los documentos varían en el número exacto, tómalo como una cifra aproximada [6]. En 1979, se descubrió que la resistencia de las baldosas a la tracción durante un solo vuelo era insuficiente [6]. Por ello, en octubre de ese año, se cambió al método de densificar y reforzar las baldosas, realizando pruebas de resistencia en todas ellas. En estas pruebas, alrededor del 13% de las baldosas no cumplieron con los estándares y fueron reemplazadas [6]. Este proceso de encontrar problemas y corregirlos sustenta la protección para el uso repetido.

7. Cómo comprobar con tus manos y una bomba de bicicleta que comprimir calienta el aire

Puedes probar esto con una bomba de bicicleta junto a un adulto (Nota de seguridad: Hazlo siempre bajo supervisión adulta. No empujes con fuerza excesiva ni apresuradamente). Cierra la salida y empuja lentamente el pistón. Sentirás que el aire dentro se contrae y te devuelve el impulso, y es posible que el cilindro de la bomba se sienta ligeramente tibio [2]. Sin embargo, como también interviene la fricción del pistón al moverse, no podemos concluir solo con esto que sea calor por compresión.

Si quieres leer las fuentes originales, el análisis de la cápsula de Hayabusa 2 está disponible en artículos en japonés [1]. Comparándolo con otro artículo en japonés que presenta la misma cápsula [7], notarás que cada uno enfatiza puntos diferentes. También te sugerimos abrir las páginas en japonés de JAXA para encontrar más detalles.

Fuentes

  1. MyNavi News, "Analysis of Hayabusa 2 capsule" (2021) https://news.mynavi.jp/article/20210311-1797179/ (Análisis de la cápsula de Hayabusa 2 en español.)
  2. David Darling, Encyclopedia of Science, "reentry thermal protection" http://www.daviddarling.info/encyclopedia/R/reentry_thermal_protection.html (Enciclopedia de ciencia sobre protección térmica de reentrada.)
  3. NASA Ames, "After 15 Years, 1,000 Tests, Orion's Heat Shield Ready to Take the Heat" https://www.nasa.gov/feature/ames/after-15-years-1000-tests-orion-s-heat-shield-ready-to-take-the-heat (Artículo de la NASA sobre el escudo térmico de Orión.)
  4. KQED, "How the Bay Area Helped Apollo 11 Get Home Safely" https://www.kqed.org/science/1945214/how-the-bay-area-helped-apollo-11-get-home-safely (Reportaje sobre cómo el área de la Bahía ayudó al Apolo 11.)
  5. NASA SP-350, "Apollo Expeditions to the Moon", chapter 2 https://apolloexplorer.co.uk/books/sp-350/ch-2-2.html (Capítulo sobre las expediciones lunares del Apolo.)
  6. NASA History, "The Flight of STS-1: Thermal Protection" https://www.nasa.gov/history/sts1/pages/tps.html (Historia de la protección térmica del primer vuelo del Transbordador.)
  7. ITmedia MONOist, Explanation of Hayabusa 2 reentry capsule https://monoist.itmedia.co.jp/mn/articles/2008/04/news017.html (Explicación técnica de la cápsula de reentrada de Hayabusa 2.)