Las Arenas de Marte

#1#Enero 31, 2005: Imagine este panorama. Es el año 2030 aproximadamente. Están parados sobre un mundo extraño con una polvorienta suciedad roja bajo sus pies, buscando un montón de equipo minero depositado por previos módulos de descenso con controles remotos. Retumban en sus oídos las palabras finales del control de la misión: “Su misión, que deberán preocuparse en aceptar, es volver a la Tierra, de ser posible usando combustible y oxígeno extraído de las arenas de Marte. ¡Buena Suerte!” Parece muy simple, extraer materias primas de un planeta arenoso y rocoso. Lo hacemos aquí en la Tierra ¿por qué no en Marte, también? Pero no es tan sencillo. Nada acerca de física del material granular lo es. La física del material granular es la ciencia de los granos, todo desde granos de maíz, granos de arena hasta granos de café. Estas son sustancias diarias comunes, pero pueden ser extremadamente difíciles de predecir. En un instante se comportan como sólidos, y al siguiente, como líquidos. Imagine una volqueta llena de grava. Cuando el recipiente de carga comienza a inclinarse, la grava permanece en una pila sólida, hasta que a cierto ángulo, de repente, se convierte en un estruendoso río de roca. Entender la física del material granular es esencial para el diseño de maquinaria industrial y movilizar las enormes cantidades de sólidos pequeños, como la fina arena de Marte. El problema es que, incluso aquí en la Tierra “las plantas industriales no funcionan muy bien pues no comprendemos completamente las ecuaciones para los materiales granulares, como entendemos las ecuaciones para los líquidos y los gases”, dice James T. Jenkins, profesor de Mecánica Teórica y Aplicada, en la Universidad de Cornell, en Ithaca, N.Y. “Es por eso que las plantas de generación eléctrica a carbón operan a bajo rendimiento y tienen las tasas de fallas más altas comparadas con las plantas de generación eléctrica con combustible líquido o a gas”. Entonces se pregunta, “¿comprendemos el procesamiento de material granular lo bastante bien para hacerlo en Marte?” #2# Comencemos con la excavación: “Si excavas una zanja en Marte, ¿qué tan pendientes pueden ser los lados para que permanezcan estables sin que se derrumben hacia adentro?, se pregunta Stein Sture, profesor de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, y además decano asociado en la Universidad de Colorado en Boulder. Aún no existe una respuesta definitiva. La estratificación de suelos polvorientos y rocas en Marte, no está lo suficientemente conocida. Se puede obtener alguna información sobre la composición mecánica de los suelos de Marte hasta un metro de profundidad aproximadamente, por medio de radares que penetren el suelo o por otros dispositivos de sonido, anota Sture, pero a profundidades mayores “probablemente se necesitarán extraer muestras cilíndricas”. Phoenix, el módulo de descenso en Marte de la NASA (que descenderá a la superficie en el 2008) podrá excavar zanjas de aproximadamente medio metro de profundidad, y el Laboratorio de Ciencias de Marte podrá cortar y extraer muestras cilíndricas de las rocas. Ambas misiones suministrarán nuevos datos valiosos. #3# Para lograr excavar a mayores profundidades, Sture (con la colaboración del Centro para Construcciones Espaciales de la Universidad de Colorado) está desarrollando excavadoras innovadoras cuyos sistemas para el desplazamiento y la excavación vibran, penetrando en el suelo. La agitación ayuda a romper las uniones cohesivas que mantienen unidos a los suelos compactados y también puede ayudar a mitigar el riesgo de que los suelos vayan a colapsar. Máquinas como estas pueden ser enviadas algún día a Marte, también. Otro problema que existe es con las tolvas o los “embudos” que utilizan los mineros para depositar la arena y la gravilla sobre las bandas transportadoras, y luego conducirlas hasta el sitio de procesamiento. El conocimiento de los suelos de Marte será vital para el diseño de tolvas más eficientes, que no necesiten mantenimiento. “No entendemos por que el material se atranca en las tolvas” dice Jenkins. Los atranques son tan frecuentes que de hecho, “aquí en la Tierra existe un martillo cerca de cada tolva”. Al golpear la tolva se libera el atranque. En Marte nos gustaría que las tolvas trabajaran mejor, pues habrá menos personas para atender el equipo. Jenkins y sus colegas están investigando porqué el flujo del material granular se atranca. También existe el transporte. Desde el año 2004, los todo terreno de Marte, el Spirit y el Opportunity, han tenido pocos problemas para desplazarse por millas alrededor de sus sitios de descenso. Estos todo terreno son solo del tamaño de un típico escritorio de oficina con la masa de una persona adulta. Son carros pequeños comparados con los vehículos de gran masa que posiblemente se necesitarán para transportar toneladas de rocas y arena del suelo de Marte. Los vehículos más grandes van a tener una era más difícil para desplazarse. #4# A principios de los año sesenta cuando los científicos estaban estudiando los posibles todo terreno movidos por energía solar para maniobrar en arenas sueltas de la Luna y otros planetas, explica Sture, calcularon que “el máximo valor viable para la presión continua del contacto de rodadura sobre los suelos de Marte es solamente de 0.2 libras por pulgada cuadrada (psi),” especialmente cuando suben o bajan por terrenos inclinados. Este valor tan bajo ha sido confirmado por el comportamiento de los todo terreno Spirit y Opportunity. Una presión de contacto de rodadura de solamente 0.2 psi “significa que el vehículo tiene que ser liviano o tiene que tener la forma de distribuir efectivamente la carga en muchas ruedas o carriles. Es crítico el reducir la presión de contacto para que las ruedas no se entierren en el suelo blando o rompan las capas endurecidas (las pequeñas láminas de suelos adheridos, como la corteza delgada que se forma por la nieve transportada por el viento aquí en la Tierra) y se queden atascadas”. Este requerimiento implica que el vehículo que va a transportar cargas más pesadas, como personas, viviendas y equipos, debe ser “una cosa tipo Fellini con ruedas de 4 a 6 metros (12 a 18 pies) de diámetro” dice Sture refiriéndose al famoso director italiano de películas surrealistas. En lugar de ruedas podrá tener rieles escalonados metálicos espaciados, como una combinación entre las bandas o cadenas de las retroexcavadoras terrestres y las ruedas del todo terreno del programa Apolo en la Luna. Por lo tanto, los vehículos con rieles escalonados o cadenas parecen ser prometedores para transportar grandes cargas útiles. #5# Un reto final que deben enfrentar los físicos del material granular es encontrar como mantener los equipos sin problemas operacionales durante las temporadas de tormentas de polvo en Marte. Las tormentas de Marte levantan polvo fino al aire a velocidades de hasta 50 m/s (más de 100 millas por hora) que cubren toda superficie expuesta, introduciéndose por todas las hendiduras, enterrando todas las estructuras expuestas naturales y fabricadas por el hombre y reduciendo la visibilidad a unos cuantos metros o menos. Jenkins y algunos investigadores están estudiando la física eólica (viento) que transporta arena y polvo en la Tierra, para entender la formación y el movimiento de las dunas en Marte, y también para averiguar cuales sitios habitables serán los más protegidos contra los vientos predominantes (como por ejemplo bajo el abrigo de grandes rocas). Retornando al gran interrogante de Jenkins “¿entendemos el procesamiento del material granular lo suficiente para poder implementarlo en Marte?” La respuesta aún no establecida es: Hasta ahora no lo sabemos. El trabajo con conocimientos imperfectos es aceptable en la Tierra, debido a que generalmente nadie sufre mucho debido a esa ignorancia, pero en Marte, la ignorancia podría significar eficiencia reducida o peor aún, impedir que los astronautas exploten la superficie para obtener el oxígeno y el hidrógeno suficientes para respirar o para utilizar como combustible y regresar a la Tierra. Los físicos del material granular están analizando los datos de los todo terreno de Marte, construyendo nuevas máquinas excavadoras, utilizando ecuaciones, con el fin de hacer lo mejor que puedan para encontrar las respuestas. Todo hace parte de la estrategia de la NASA para aprender como llegar a Marte... y luego poder regresar.

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Autores: Trudy E. Bell y Dr. Tony Phillips

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