¿Cómo regresan las naves espaciales a la tierra sin quemarse?

La nave espacial puede regresar a la Tierra de manera segura debido a la ablación, en la que la capa más externa del transbordador absorbe el calor del reingreso y se erosiona.

El hombre ha buscado protección de los elementos invasores durante milenios, de una forma u otra. A medida que nuestras aventuras tomaron caminos cada vez más arriesgados, el papel del equipo de protección también se volvió más crítico. Comenzando como cualquier tipo de barrera entre la piel de un hombre y el entorno externo, el equipo de protección ha llegado a desempeñar un papel mucho más activo en el trabajo, los viajes, la industria y la supervivencia. ¡Uno de esos roles cruciales es en el vuelo de regreso a casa desde el espacio!

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¿Cómo es el reingreso desde el espacio?

Antes de analizar la evolución de los materiales de seguridad, primero debemos intentar comprender los conceptos básicos para ingresar a la atmósfera de la Tierra desde el espacio. Lograr que la nave espacial aterrice de manera segura en la Tierra no es un paseo por el parque.

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El reingreso a la Tierra desde el espacio es una tarea muy desafiante, incluso en comparación con los aviones comerciales (Crédito de la foto: 3Dsculptor/Shutterstock)

Entrar en la atmósfera implica cruzar varias capas de la atmósfera, donde las temperaturas, debido al arrastre atmosférico y al calentamiento aerodinámico, pueden alcanzar hasta 1650°C (3000°F). Estas temperaturas son lo suficientemente altas como para derretir la mayoría de los metales, ¡e incluso vaporizar algunos! Por lo tanto, para que un transbordador espacial regrese a la Tierra de manera segura, es importante combatir este calor y la fricción de manera efectiva.

¿Qué es la ablación?

La palabra ablación se refiere al consumo destructivo o eliminación. En consecuencia, los ablativos son materiales que se consumen cuando la nave espacial ingresa a la atmósfera terrestre. Dado que no existen materiales que puedan soportar intacto el calor generado durante la reentrada, se utiliza un tipo especial de material conocido como ablativo.

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La capa más externa del vehículo de reingreso interactúa con el calor y se erosiona en el proceso (Crédito de la foto: Shanshan/Shutterstock)

La palabra ablación también encuentra uso en el lenguaje genético, quirúrgico, geológico y de protección contra incendios. Sin embargo, el contexto de eliminación de material mediante el uso de energía sigue siendo la base de la ablación.

¿Cómo funcionan los materiales ablativos (abladores)?

La ablación es un tipo de Sistema de Protección Térmica (TPS) que protege a la nave espacial del intenso calor que enfrenta durante el reingreso. Durante el diseño y la construcción de la misión, la superficie exterior de la nave espacial se cubre con materiales ablativos.

El proceso de protección térmica se puede dividir en dos etapas. La primera es la eliminación de material, en la que la capa más externa del vehículo entra en contacto directo con la atmósfera y se consume en el proceso. La parte restante del proceso es el aislamiento, donde el material debe soportar el calor sin perder su propia integridad estructural. Al mismo tiempo, no debe transmitir calor al material base del vehículo.

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Los ablativos tienen propiedades aerodinámicas y estructurales superiores, además de sus capacidades de protección contra el calor. (Crédito de la foto: Mia2you/Shutterstock)

Por lo tanto, la elección de los materiales ablativos depende de varios parámetros relacionados con la disipación de calor y la integridad estructural. También depende de la trayectoria de regreso del vehículo. Una trayectoria pronunciada significaría un calentamiento más agresivo durante un período de tiempo más corto, junto con velocidades de aterrizaje muy altas. Por otro lado, una trayectoria suave tendría velocidades de aterrizaje más lentas y una menor intensidad de calentamiento, pero el tiempo de exposición aumentaría significativamente.

Además de aislar, los ablators también se utilizan con fines estructurales y aerodinámicos en varios componentes de la nave espacial.

Diversos tipos de materiales ablativos

Los abladores están diseñados para desviar el calor de la base vulnerable o del metal virgen, mientras se consumen en el proceso. Los materiales ablativos generalmente se clasifican en tres tipos:

1. Abladores de sublimación y fusión

Como sugiere su nombre, los ablatores de sublimación y fusión se derriten o subliman (se convierten directamente de sólido a vapor) en el proceso de quitar calor del material base. El líquido o gas que resulta de este proceso bloquea aún más la penetración del calor en la base. Las observaciones de los transbordadores espaciales y los satélites muestran hasta un 50 % de reducción en el calor transmitido debido a la generación de gases, además del propio proceso de ablación.

Los primeros vuelos incluían cobre y berilio como abladores. Sin embargo, el PTFE (politetrafluoroetileno), comúnmente conocido como teflón, fue uno de los primeros ablativos de sublimación. Otros materiales incluyen grafito, compuestos de carbono e incluso cerámica, debido a su baja conductividad térmica y grandes propiedades estructurales.

Diversos tipos de materiales ablativos

Sección transversal del ablador de fusión/sublimación

2. Abladores de carbonización

La ablación por carbonización implica que el material se queme para formar una capa porosa. Es poroso debido a la fusión selectiva o sublimación del material. Los gases derivados de la formación de la capa de carbón se suman a las propiedades aislantes. Los abladores de carbonización también son de naturaleza progresiva. Esto significa que se forma más carbón a medida que la capa superior se erosiona, debido a las fuerzas de corte aerodinámicas. Debido a esto, los ablatores de carbonización son los más efectivos y, por lo tanto, son los preferidos para la protección térmica. A menudo se utilizan junto con ablatores de sublimación o fusión para aumentar su eficacia.

Sección transversal del ablador de carbonización

Las resinas y los compuestos fenólicos reforzados con fibra de carbono son ejemplos de ablatores de carbonización. Se pueden usar con ablatores de fusión, como sílice o nailon, para mejorar sus características ablativas.

La madera se ha utilizado como un ablator de carbonización de bajo costo en el pasado, pero se eliminó gradualmente, ya que las características térmicas y físicas de la madera no son uniformes en todas partes.

3. Abladores intumescentes

Los abladores intumescentes forman una estructura porosa similar a la espuma cuando se exponen al calor. Si bien puede pensar en ellos como abladores carbonizados, en realidad son el resultado de una reacción exotérmica, a diferencia de las reacciones endotérmicas que tienen lugar en los ablatores carbonizados. Dado que las reacciones exotérmicas se suman a la exposición general al calor, generalmente se refuerzan con material inorgánico que ayuda a consumir energía, en lugar de aumentarla.

Diversos tipos de materiales ablativos

Sección transversal del ablador intumescente

Los abladores intumescentes son conocidos por su resistencia mecánica superior. Sin embargo, esto también significa que su estructura es perjudicial para la aerodinámica de un vehículo cuando ingresa a la Tierra desde el espacio. Por esta razón, no se utilizan en vehículos de reingreso de alta velocidad. Encuentran uso en municiones que son susceptibles al fuego y en aplicaciones de soporte de carga, como vigas, pilares y puentes en plataformas petrolíferas. Los abladores intumescentes son fáciles de instalar, ya que están disponibles en forma de recubrimientos, láminas y cintas patentadas por aspersión.

Avances en la tecnología de ablación

El proceso de ablación puede ser un desperdicio, dado que el material se consume en el proceso. Los organismos de investigación buscan ablativos reutilizables que sacrifiquen menos material. Al mismo tiempo, los científicos quieren pasar del uso de material orgánico a abladores metálicos.

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El uso de una estructura de panal de mosaico en PTFE ayuda a una ablación eficaz. (Crédito de la foto: nikkytok/Shutterstock)

El uso de tales ablatores ayudaría a retrasar la oxidación y descomposición de los ablatores, especialmente en las órbitas de bajo nivel de la atmósfera terrestre, donde las temperaturas son generalmente altas y los satélites se enfrentan a una exposición prolongada.

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