Gli ingegneri della NASA lottano per costruire uno scudo termico migliore

Un'immagine di Helen Hwang Jessica Cho

Per mesi e mesi, i campioni hanno continuato a sciogliersi. Questo non era esattamente sorprendente — il nido d'ape in fibra di vetro riempito di sughero è stato sottoposto a un'esplosione di calore quattro volte più intensa di quella che il bordo d'attacco dello space shuttle ha resistito al rientro nell'atmosfera terrestre. Era come mettere il forno più caldo del mondo nel mezzo della sua galleria del vento più potente.

Gli stessi materiali avevano già protetto tutti i precedenti lander americani su Marte dal calore di colpire l'atmosfera marziana a quasi 16.000 chilometri orari. Ma non sarebbe stato più abbastanza buono. Lo scudo per il Mars Science Laboratory (MSL) dovrebbe resistere a circa 250 watt di energia per centimetro quadrato — circa 10 volte il calore sperimentato dal Viking, il primo lander americano su Marte, che è atterrato sul pianeta nel 1976. Questo perché MSL, il cui lancio è previsto nell'agosto 2009, sarebbe tre volte più pesante del Viking. Il rover Curiosity che MSL avrebbe trasportato era circa cinque volte più pesante dei rover Spirit e Opportunity, che erano atterrati in sicurezza su Marte nel 2004. Le dimensioni e il peso di MSL non erano problemi insolubili di per sé. Ma le simulazioni al computer hanno mostrato che l'enorme peso della sonda si tradurrebbe in forti turbolenze, portando a condizioni più gravi di quelle che avrebbero sopportato qualsiasi precedente scudo termico per l'ingresso di Marte. E quando hanno ruotato il materiale dello scudo termico lateralmente al flusso di aria calda in arrivo per simulare la turbolenza, le celle a nido d'ape al suo interno si aprivano, provocando una reazione a catena di guasti. Il test sembrava diverso da qualsiasi cosa avessimo mai visto prima, ricorda Helen Hwang, ricercatrice presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley che all'epoca era responsabile del sistema di protezione termica di MSL.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2019

• Vedi il resto del problema
• sottoscrivi

Sulla scia di questi fallimenti, la squadra di Hwang ha dovuto affrontare una grave crisi di tempo. Era il 2007 e il lancio era previsto tra meno di due anni. C'erano due opzioni, come la vedeva lei: riprogettare la missione per cercare di ridurre le condizioni di riscaldamento, o inventare un nuovo materiale per lo scudo termico. La prima opzione limiterebbe dove potrebbe atterrare il rover e gli strumenti scientifici che potrebbe trasportare. La seconda opzione significava che avrebbero dovuto progettare, sviluppare, testare e costruire un nuovo scudo termico in meno di 18 mesi. Questa opzione era rischiosa, ma avrebbe consentito alla missione di fare tutta la scienza che doveva fare.

Hanno scelto la seconda opzione.

Man mano che le ambizioni umane crescono nello spazio, il nostro ingegno dovrà eguagliarle. Per esplorare le dense atmosfere di pianeti come Venere o Saturno, abbiamo bisogno di scudi termici ultra robusti in grado di sopportare pressioni intense. Per inviare campioni marziani sulla Terra, abbiamo bisogno di scudi termici indistruttibili che impediscano a qualsiasi forma di vita aliena di contaminare il nostro pianeta, o viceversa. L'atterraggio di esseri umani su altri pianeti richiederà aeroshell di grandi dimensioni, le capsule di ingresso protette da scudi termici, fino a un diametro di quasi 20 metri (66 piedi) o più. Niente di simile a quella scala è mai stato portato su Marte prima d'ora.

Le sfide dello sviluppo di queste tecnologie saranno immense, ma lo saranno anche le ricompense se consegneranno in sicurezza robot e esseri umani a nuove frontiere. Senza progressi all'avanguardia negli aeroshell e negli scudi termici, tali missioni saranno inutili: bruceranno semplicemente nell'atmosfera.

Se vai nello spazio, ci sono due ragioni per rallentare: tornare sulla Terra o fermarti presso un altro corpo celeste. Un modo per rallentare è usare lo stesso metodo che hai usato per accelerare: i razzi. Ma questo significa trasportare più carburante per razzi, il che aggiunge peso. In pratica, ha senso usare l'atmosfera, se ce n'è una. Ma sopravvivere al calore risultante richiede materiali intelligenti e veicoli spaziali abilmente modellati.

Le forme intelligenti hanno avuto origine negli anni '50 presso l'Ames Research Center, lo stesso luogo in cui Hwang avrebbe successivamente lavorato per sviluppare lo scudo termico MSL. Harry Julian Harvey Allen, che era a capo della divisione di ricerca sull'alta velocità di Ames all'inizio degli anni '50, ideò il cosiddetto corpo contundente, che avrebbe un lato piatto e largo per sopportare il peso del caldo. Allen e un collega hanno lavorato alla teoria l'anno successivo. Si sono resi conto che un corpo contundente avrebbe creato una forte onda d'urto davanti a sé, che ha deviato gran parte del calore lontano dal veicolo. Hanno poi messo insieme il secondo pezzo del puzzle: l'ablazione. Ciò significa utilizzare materiali progettati per decomporsi ed erodersi all'ingresso, creando uno strato carbonizzato che allontana efficacemente il calore dal veicolo.

Il concetto di corpo contundente fu inizialmente accolto con scetticismo e rimase riservato fino al 1957. Ma nel maggio 1961, quando Alan Shepard divenne il primo americano a visitare lo spazio, la sua capsula Friendship 7 utilizzava una faccia conica smussata per tornare in sicurezza sulla Terra.

A causa del programma Apollo, i nuovi materiali ablativi erano un'area di ricerca molto attiva negli anni '60. Per Apollo, la NASA si è rivolta a una società chiamata Avco, specializzata in materiali per testate missilistiche a lungo raggio. Uno strato spesso 2,7 pollici di Avcoat, un materiale per lo scudo termico realizzato in resina epossidica in una matrice di fibra di vetro, ha assorbito il peggio del calore al rientro di Apollo.

HEEET è destinato all'ingresso in ambienti estremi, come quelli di Saturno o Nettuno. Jessica Cho

Per le missioni Viking, che avrebbero lanciato i primi lander su Marte di successo negli anni '70, la NASA ha utilizzato un nuovo materiale chiamato SLA-561V. Come Avcoat, SLA (per ablatore superleggero) si basa su una struttura a nido d'ape riempita con gocce di resina ablativa. Ma gli ingegneri della Martin Marietta, l'azienda che ha ideato il materiale, hanno integrato anche componenti più leggeri, come silicio e sughero, per ridurne la densità.

Le navette spaziali, lanciate per la prima volta negli anni '80, avevano bisogno di un approccio completamente nuovo. Le navette dovevano essere riutilizzabili, e questo valeva anche per gli scudi termici. Invece di una sostanza come lo SLA, le navette erano protette con carbonio-carbonio rinforzato sul cappuccio del naso e sui bordi d'attacco delle ali e da piastrelle di ceramica sul ventre.

Hwang, che è cresciuto in una piccola città dell'Iowa, ricorda di aver maneggiato una tessera della navetta spaziale in una presentazione scolastica. L'esperienza ha piantato il desiderio di lavorare un giorno sulle tecnologie degli scudi termici. Dopo aver conseguito il dottorato in fisica del plasma presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign, ha accettato un lavoro presso l'Ames Research Center, ma che non aveva nulla a che fare con gli scudi termici. Per diversi anni ha lavorato sull'uso del plasma per incidere i circuiti nei microchip. Quando i fondi sono finiti, è passata agli scudi termici, realizzando la sua ambizione d'infanzia.

Quando nel 2006 Hwang è stato incaricato di creare uno scudo termico per il progetto MSL, inizialmente si è rivolta a SLA. Ma è diventato chiaro abbastanza velocemente che lo SLA non avrebbe funzionato. Non siamo mai stati veramente in grado di isolare ciò che stava causando il fallimento, dice Hwang, ma il fallimento era ripetibile; abbiamo testato in molte strutture diverse e abbiamo riscontrato lo stesso guasto in condizioni diverse.

Non c'erano molte altre opzioni, però. L'unica scelta praticabile era qualcosa chiamato ablatore di carbonio impregnato fenolico (PICA), che era stato sviluppato ad Ames negli anni '90 per la missione Stardust, il primo a restituire campioni da una cometa e il rientro atmosferico più veloce della storia. Stardust aveva usato un pezzo continuo di PICA, ma MSL era troppo grande perché quell'approccio fosse pratico. Hanno invece dovuto creare piastrelle del materiale e progettato la sonda Marte da ricoprire con esse, facendo ciò in un modo che non consentisse alle linee di flusso del gas di fluire lungo le giunture potenzialmente vulnerabili tra le piastrelle. È stato il primo scudo termico ablativo piastrellato e il più grande aeroshell mai volato. (La stessa soluzione è ora utilizzata da SpaceX per la sua capsula Dragon. La NASA ha prestato Dan Rasky, uno dei progettisti di PICA ad Ames, a SpaceX per aiutare a progettare il materiale dello scudo termico del Dragon, noto come PICA-X.)

Voglio esplorare il nostro sistema solare. Siamo stati solo in una manciata di destinazioni. Voglio andare a tutti loro.

Con l'avvicinarsi della scadenza del lancio di MSL, Hwang e il suo team hanno fatto esplodere campioni PICA nell'Arc Jet Complex di Ames, migliorando la loro comprensione del materiale e dei riempitivi di spazi vuoti con ogni nuovo test. Hanno perfezionato il loro scudo in tempo per il lancio nel 2009, solo per vedere la missione ritardata fino al 2011 per assicurarsi che altri sistemi fossero pronti. L'MSL alla fine è atterrato su Marte nell'agosto 2012. Curiosity è ancora attiva su Marte e ha avuto un tale successo che la NASA sta ora sviluppando un'altra missione, il rover Mars 2020, basata su un progetto simile. Hwang ha ripreso il suo ruolo di gestione del sistema di protezione termica, che utilizzerà nuovamente PICA per proteggere la navicella spaziale mentre scende su Marte all'inizio del 2021.

Jessica Cho

Uno dei compiti più importanti del rover Mars 2020 sarà la raccolta di campioni che un giorno potrebbero essere riportati sulla Terra da un futuro lander. Anche se gli scienziati imparano come far atterrare la prossima generazione di veicoli spaziali su altri mondi, stanno anche cercando di riportare sulla Terra allettanti ambienti alieni.

Se gli umani vogliono atterrare su Marte, avranno bisogno di scudi termici almeno quattro volte il diametro di quelli su MSL. Ecco perché la NASA sta ora sviluppando concetti per aeroshell espandibili che possono essere nascosti all'interno della copertura del veicolo di lancio e schierati in uno scudo più grande nello spazio. Gran parte di quel lavoro viene svolto presso il Langley Research Center della NASA in Virginia. La mattina del 23 luglio 2012, un razzo sonoro è decollato dalla struttura di volo Wallops della NASA, attraverso la baia di Chesapeake da Langley, sulla costa orientale della Virginia. Il razzo trasportava un aeroshell dispiegabile noto come deceleratore aerodinamico gonfiabile ipersonico (HIAD), un cono largo e poco profondo costituito da una struttura gonfiabile di tubi a forma di ciambella. L'HIAD aveva un diametro inferiore a mezzo metro, ma una volta nello spazio si dispiegava a tre metri. Allargare lo scudo diffonde il calore del rientro su un'area più ampia.

Il razzo è andato a 290 miglia in alto, ben al di sopra del confine dello spazio, e poi l'HIAD si è gonfiato alla sua piena dimensione. Le telecamere di bordo hanno catturato una vista dell'Oceano Atlantico mentre la struttura cadeva nell'atmosfera. Il concetto HIAD ha funzionato bene in questi test di volo, ma alcune persone sono ancora contrarie all'idea di proteggere gli astronauti diretti a Marte con un aeroshell gonfiabile. Molte persone dicono: 'Oh, hai una struttura gonfiabile, si piegherà come un giocattolo da piscina', afferma Robert Dillman, ingegnere aerospaziale di Langley e membro del team HIAD. Questa cosa è piuttosto solida. Suona quando lo tocchi.

Aeroshell più grandi spingono le onde d'urto più lontano dal veicolo spaziale, fornendo una maggiore protezione dal calore in ingresso. Il calore residuo viene allontanato da un sistema flessibile di protezione termica che ricopre la struttura gonfiabile con tessuti esterni durevoli e isolamento.

Il prossimo HIAD previsto per il volo raggiungerà l'orbita terrestre bassa e si espanderà a sei metri. Ma questi concetti gonfiabili non sono gli unici aeroshell espandibili in lavorazione. Un team di Ames sta sviluppando uno scudo pieghevole chiamato Adaptable, Deployable Entry and Placement Technology. Realizzato con fibre di carbonio flessibili intrecciate in 3D, lo scudo si apre come un ombrello ed è tenuto fermo da montanti in metallo.

Hwang è anche coinvolto nello sviluppo di qualcosa chiamato Heat Shield for Extreme Entry Environment Technology (HEEET), che potrebbe ospitare missioni su Venere, Saturno, Urano e Nettuno. HEEET è molto più robusto di PICA e SLA-561V e quindi più adatto per atmosfere dense. Tradizionalmente, ogni missione ha avuto uno scudo termico unico, ma questo rende le cose più costose. Hwang spera di ottenere economie di scala, una sorta di Ford Model T di rientro.

Voglio esplorare il nostro sistema solare, dice. Siamo stati solo in una manciata di destinazioni. Voglio andare a tutti loro.

Becky Ferreira è una giornalista scientifica con sede a Ithaca, New York. Il suo lavoro è apparso su Wired e sul New York Times.

nascondere