Los experimentos de Tokamak proporcionan datos únicos para validar los modelos de ablación del escudo térmico de la nave espacial

Cuando una nave espacial ingresa a una atmósfera espesa a alta velocidad, comprime rápidamente el gas que tiene delante. Esto crea temperaturas lo suficientemente altas como para ionizar las moléculas de gas en un plasma caliente y denso. Para protegerse contra daños, las naves espaciales suelen estar cubiertas por un material de escudo térmico que se quema de manera controlada. Este proceso se llama ablación. Aunque los materiales actuales son efectivos para las misiones actuales, las misiones futuras requerirán mejores escudos térmicos.

Para ayudar a desarrollarlos, los científicos utilizaron por primera vez un dispositivo conocido como tokamak para estudiar lo que sucede con estos materiales en un plasma caliente. En una serie de experimentos, el equipo expuso varillas de grafito estacionarias al plasma cerca del piso del tokamak. Luego inyectaron pequeños gránulos de carbono más profundamente en el núcleo del plasma para observar cómo se queman diferentes materiales a base de carbono en condiciones relevantes para la entrada de naves espaciales en las atmósferas.

Los tokamaks son dispositivos en forma de rosquilla que pueden atrapar plasmas con fuertes campos magnéticos. Los científicos utilizan principalmente estos dispositivos para la investigación de la energía de fusión. Las condiciones en un plasma tokamak pueden ser similares a las experimentadas durante algunas de las misiones espaciales más desafiantes jamás realizadas, como la entrada de la sonda Galileo en la atmósfera de Júpiter. Aunque la misión Galileo tuvo éxito, su escudo térmico ocupaba aproximadamente la mitad de la masa de la sonda. Esto dejó poca capacidad para los instrumentos científicos.

El desarrollo de escudos térmicos más ligeros y avanzados requiere probar la destrucción del material en condiciones de calor extremas. Estas condiciones son difíciles de reproducir en la Tierra. Estos experimentos, primeros en su tipo, proporcionaron datos muy necesarios para el avance de los materiales de protección térmica.

Los enfoques anteriores de prueba de escudo térmico que usaban láseres, chorros de plasma y proyectiles de hipervelocidad sufrían el problema de que ningún método único podía simular las condiciones de calentamiento exactas presentes durante una entrada atmosférica de alta velocidad. En consecuencia, los modelos anteriores del comportamiento de los escudos térmicos a veces sobreestimaron o subestimaron la velocidad a la que un escudo térmico pierde material, con resultados potencialmente desastrosos.

Los experimentos en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación de usuarios del Departamento de Energía (DOE), demostraron que el plasma caliente creado por un reactor de fusión durante la operación ofrece una forma novedosa y potencialmente mejorada de modelar el comportamiento del escudo térmico, especialmente para futuras entradas en Venus o los gigantes gaseosos. El equipo incluyó investigadores de la Universidad de California en San Diego, la Universidad de Auburn, General Atomics y la Universidad de Baylor.

Debido a que DIII-D es una de las instalaciones de fusión más flexibles y altamente instrumentadas del mundo, el equipo pudo recopilar una variedad de datos valiosos sobre el comportamiento de las muestras y utilizarlos para mejorar los modelos teóricos y las simulaciones numéricas. Los resultados de DIII-D muestran concordancia con las predicciones de un modelo semiempírico desarrollado en la comunidad aeroespacial para calcular la tasa de pérdida de masa de los escudos térmicos a base de carbono bajo flujos de calor extremos durante la entrada en la atmósfera de Júpiter.

Por lo tanto, los experimentos validaron el uso de este modelo en el diseño de futuros escudos térmicos y demostraron que el plasma tokamak puede reproducir las condiciones de calentamiento extremo durante la entrada a la atmósfera en un entorno de laboratorio. El primero ayudará a mejorar el diseño de naves espaciales para futuras misiones a los planetas gaseosos de nuestro sistema solar. Este último allanará el camino para estudiar experimentalmente una amplia gama de preguntas fundamentales, incluida la forma en que los meteoritos entregan material orgánico a las superficies de los planetas, una pregunta importante en el origen de la vida.

La investigación se publica en Volumen 4: Avances en tecnología aeroespacial.