Ráfaga de Metano

La NASA probó recientemente una novedosa turbina para cohetes propulsada por metano, la cual podría convertirse en la tecnología clave para futuras exploraciones del sistema solar externo.

Mayo 4, 2007: El 16 de enero de 2006, una deslumbrante llama de color azul atravesó las arenas del desierto de Mojave. En muchos aspectos, parecía una prueba habitual de una turbina para cohetes, pero en este caso fue diferente. Mientras que la mayoría de los cohetes de la NASA usan hidrógeno y oxígeno líquido, o bien compuestos químicos sólidos, como combustible, "esta vez estamos probando una turbina propulsada por metano", dice la encargada del proyecto, Terri Tramel, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (MSFC, por su sigla en inglés).
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Arriba: Encendido de prueba de una turbina propulsada por LOX/metano, con un empuje de 3400 kg. Crédito de la imagen: Mike Massee/XCOR Aerospace. [Comunicado de Prensa] [Película]
La turbina principal, construida y probada por el equipo de contratistas de la NASA, Alliant Techsystems y XCOR Aerospace, aún se encuentra en fase de desarrollo y, por lo tanto, no está lista todavía para ser llevada al espacio. Pero si se logra demostrar que esta tecnología es viable, las turbinas como esta, propulsadas con metano, podrían finalmente ser cruciales para la exploración del espacio profundo.
El metano (CH4) que es, por cierto, el principal componente del gas natural, abunda en las zonas exteriores del sistema solar. Se lo puede recolectar de Marte, de Titán, de Júpiter y de muchos otros planetas y lunas. Al tener la fuente de combustible en el punto de destino, un cohete que despegase de la Tierra no tendría que llevar tanto combustible a bordo, lo cual reduciría los costos de la misión.
En cierto modo, es curioso que este gas inflamable nunca antes haya sido usado para propulsar naves espaciales. Pero ahora los científicos e ingenieros del Centro Marshall, del Centro de Investigaciones Glenn y del Centro Espacial Johnson, están creando turbinas propulsadas por LOX/metano como opción para el futuro. "Ya se están desarrollando varios proyectos, dentro de los cuales se incluye otra turbina 'rival' que utiliza LOX/metano, diseñado por KT Engineering", comenta Tramel.
"Este proyecto está financiado por el Programa de la NASA para el Desarrollo de Tecnologías para Exploración (Exploration Technology Development Program) y demuestra cómo las tecnologías en desarrollo destinadas a la exploración podrían algún día ayudar en futuras misiones científicas", dice Mark D. Klem, encargado del Proyecto de Desarrollo Avanzado de Propulsión y Criogenia (Propulsion and Cryogenics Advanced Development Project), en el Centro de Investigaciones Glenn.
"El metano tiene muchas ventajas", continúa Tramel. "La pregunta es, ¿por qué no habíamos hecho esto antes?"
Tenga en cuenta lo siguiente: el combustible de hidrógeno líquido que utiliza el transbordador espacial debe ser almacenado a una temperatura de -252.9°C, ¡apenas 20 grados por encima del cero absoluto! El metano líquido, por otro lado, puede ser almacenado a una temperatura mucho más elevada: -161.6°C. Esto significa que los tanques de combustible de metano no necesitarían tanto aislamiento, lo que los tornaría más livianos y, en consecuencia, su lanzamiento sería más económico. Además, los tanques podrían ser más pequeños porque el metano líquido es más denso que el hidrógeno líquido, lo cual, nuevamente, se traduciría en un ahorro de dinero y de peso.
El metano también obtiene buenas califaciones en relación con la seguridad de los seres humanos. Mientras que algunos combustibles para cohete son potencialmente tóxicos, "el metano es uno de los llamados propulsantes verdes", dice Tramel. "A diferencia de otros combustibles que se usan en muchos vehículos espaciales, no es necesario colocarse un traje HAZMAT para trabajar con metano".
Pero el mayor atractivo de este gas es que existe o que puede ser creado u obtenido directamente de los muchos mundos que la NASA podría visitar algún día, incluido Marte.
Aunque Marte no es rico en metano, dicho gas puede ser fabricado en este planeta por medio del proceso Sabatier: mezclar dióxido de carbono (CO2) con hidrógeno (H) y luego calentar esta mezcla para producir CH4 y H20 (metano y agua). La atmósfera marciana es una fuente abundante de dióxido de carbono y la cantidad de hidrógeno que se requiere para el proceso descrito es relativamente pequeña, por lo que se puede transportar desde la Tierra o incluso se puede obtener in situ del hielo de Marte.
Si se viaja más hacia el exterior del sistema solar, el metano es incluso más fácil de obtener. En la luna Titán, del planeta Saturno, literalmente llueve metano líquido. Titán está salpicado de lagos y ríos de metano y otros hidrocarburos, que podrían algún día servir como depósitos de combustible. Imagínelo: un cohete propulsado por metano podría transportar una sonda robótica que aterrizara en la superficie de Titán, tomara muestras gelógicas, recargara sus tanques de combustible y despegara nuevamente para traer las muestras de regreso a la Tierra. Ese tipo de misión de recolección de muestras del sistema solar externo nunca se ha intentado.
Arriba: Esta imagen de radar en colores falsos muestra lo que los investigadores creen que son lagos de metano líquido en Titán. Crédito de la imagen: NASA/ESA/Cassini. [Más información]
Las atmósferas de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno contienen metano, y Plutón tiene hielo de metano en su superficie. Nuevos tipos de misiones hacia estos mundos podrían ser posibles con cohetes propulsados por este gas.
Esta primera serie de pruebas del encendido de turbinas de 3400 kg. de empuje, llevada a cabo en el desierto, fue un éxito. Pero aún se deben superar algunos retos antes de que los cohetes propulsados por metano puedan estar listos para ser utilizados en una misión real. "Uno de los grandes problemas en relación con el metano tiene que ver con su capacidad de ignición", dice Tramel. Algunos combustibles para cohetes se encienden espontáneamente cuando se mezclan con un oxidante, pero el metano, en cambio, requiere de una fuente de encendido. Es posible que estas fuentes sean difíciles de hacer funcionar en el sistema solar externo, donde las temperaturas descienden hasta cientos de grados bajo cero. Tramel y sus colegas de los centros Marshall y Glenn están actualmente trabajando para asegurar que se pueda encender el metano de los cohetes de manera confiable bajo cualquier tipo de condición ambiental.
Estos desafíos podrán ser superados mediante el esfuerzo continuo de la NASA, afirma Tramel, quien cree que las turbinas que utilizan LOX/metano serán usadas en los cohetes del futuro. La llama azul en el desierto fue un hermoso primer paso.

Relámpagos Nocivos

Científicos de la NASA utilizan modernos satélites para investigar la producción de gases tóxicos durante las tormentas eléctricas.
Abril 27, 2007: Los relámpagos son mucho más que luz y ruido: son una poderosa fábrica química que afecta tanto la calidad del aire en el ámbito local como el clima en todo el planeta. Pero ¿cuán poderoso es el efecto? Los investigadores todavía no están seguros. Para poder contestar esta pregunta, están desarrollando una nueva técnica que les permita estimar lo que produce esta "fábrica".
Si tienen éxito, el método será aplicado al Rastreador de Relámpagos Geoestacionario (GLM, por su sigla en inglés), el cual será utilizado para monitorear el hemisferio occidental desde un satélite de nueva generación diseñado para realizar estudios meteorológicos, cuyo lanzamiento está programado para 2014.
Derecha: Relámpagos sobre los Alpes Suizos. Crédito y derechos de reproducción: Olivier Staiger.
"Los químicos dedicados a las ciencias atmosféricas están muy interesados en localizar los gases que producen los relámpagos, en particular los óxidos de nitrógeno (NOx)", explica William Koshak, un investigador de relámpagos del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, de la NASA. Los NOx incluyen el óxido nítrico (NO), un contaminante ambiental tóxico producido por los motores de los automóviles y por las centrales de energía, y el dióxido de nitrógeno (NO2), un gas venenoso color marrón-rojizo que produce un olor muy fuerte.
"Sabemos que los relámpagos son la fuente más importante de NOx en la troposfera alta, que es donde ocurren los fenómenos climatológicos", continúa Koshak. "Los NOx tienen una influencia indirecta sobre nuestro clima porque controlan, de manera parcial, la concentración de ozono (O3) y de radicales hidroxilo (OH) en la atmósfera. El ozono es un gas de invernadero importante y los OH son moléculas muy reactivas que controlan la oxidación de varios gases de invernadero".
Mientras que es posible cuantificar los contaminantes producidos por los automóviles y por la industria, los relámpagos son "comodines" dentro de los modelos relacionados con la calidad del aire en el ámbito regional y en el clima global porque es difícil recrear fielmente ciertas características importantes de los relámpagos —por ejemplo, su energía y el producto termoquímico de los NOx generados por un rayo. De modo que todavía se desconoce la tasa de producción global de NOx generados por los relámpagos, su valor oscila entre 2 y 20 teragramos por año (1 teragramo= 1 billón de gramos).
Abajo: La distribución de la caída de relámpagos. Cada relámpago produce una pequeña ráfaga de NOx que es insignificante pero que, sumada a las demás, puede llegar a reunir aproximadamente 20 billones de gramos por año, cuando se toma en consideración la cantidad acumulada en todo el mundo.

"Afortunadamente, las mediciones relacionadas con la química de la atmósfera, realizadas en el espacio utilizando el satélite Aura, de la NASA, permiten delimitar desde lo general la química del planeta y los modelos del clima", dice Koshak. "Con estos nuevos límites, el mejor cálculo que se ha podido efectuar hasta la fecha es un valor cercano a los 6 teragramos por año. Sin embargo, antes de poder confiar en estas estimaciones, tenemos que seguir trabajando para mejorar los modelos que simulan los relámpagos y otros procesos químicos".
Con el propósito de entender mejor la energía del relámpago —la cual constituye un parámetro fundamental en la producción de NOx— Koshak y sus colegas están utilizando datos proporcionados por el Sensor de Imágenes de Relámpagos (LIS, según su sigla en idioma inglés), abordo del satélite de la Misión para la Medición de Lluvias Tropicales (TRMM, en idioma inglés), y dos conjuntos de intrumentos en la Tierra, ubicados en el Centro Espacial Kennedy, de la NASA, en Florida. LIS es una cámara especial que utiliza un filtro espectral muy angosto, además de otras técnicas, para detectar las emisiones ópticas de los relámpagos, tanto durante el día como durante la noche. El filtro está centralizado en aproximadamente 777,4 nm, justo por debajo del límite del rojo profundo que puede detectar el ojo humano.
Los resultados de este estudio serán dados a conocer bajo el título Recuperación de la Carga de un Relámpago: reducción dimensional, límites LDAR y primera comparación con datos proporcionados por el satélite LIS (Lightning charge retrieval: dimensional reduction, LDAR constraints, and a first comparison with LIS satellite data). Este trabajo ha sido aceptado recientemente para su publicación en la Revista de Tecnología Atmosférica y Oceá

nica de la Sociedad Estadounidense de Meteorología (Journal of Atmospheric & Oceanic Technology of the American Meteorological Society). Sus co-autores son E. Philip Krider, Natalie Murray y Dennis Boccippio.
Derecha: Koshak y sus colegas utilizan los datos recolectados por el Sensor de Imágenes de Relámpagos (LIS), abordo del satélite de la Misión para la Medición de Lluvias Tropicales (TRMM), con el propósito de estudiar la producción de NOx de los relámpagos. [

TRMM] [LIS]
"La idea es investigar qué correlación puede existir entre las características ópticas de los relámpagos observados por LIS y las mediciones efectuadas en la Tierra, en el Centro Espacial Kennedy. Los sensores ubicados en nuestro planeta nos permiten explorar el interior de las nubes de tormenta para determinar la geometría de los canales de los relámpagos, las cargas que depositan los relámpagos y su energía. La clave es ver si las mediciones ópticas logradas desde el espacio pueden estar relacionadas con las cifras de la energía de los relámpagos calculadas con los equipos en la Tierra. Si esto fuera posible, se podrían usar sensores ubicados en el espacio para recuperar, de manera remota, la energía de un relámpago en una región más extensa del planeta", dice Koshak.
"Es una tarea extraordinaria y estos son sólo los datos preliminares", dice Koshak, refiriéndose al trabajo que será publicado próximamente. Una nube es un medio muy variable y, por lo tanto, dispersa la luz emitida por un relámpago de manera compleja. Los relámpagos repletos de energía, sumergidos en las profundidades de una nube de tormenta "ópticamente densa", podrían parecer relativamente tenues para un sensor ubicado en el espacio. Por otro lado, los relámpagos de escasa energía que tengan lugar cerca de la cima de una nube podrián parecer relativamente brillantes. Todas estas complejidades deben ser esclarecidas; éste es asunto intrincado.
En última instancia, lo que pretende Koshak es proveer una técnica que permita la utilización de datos del GLM para estimar el contenido de energía de los relámpagos. "En la práctica, lo haremos de manera estadística. Nos gustaría brindar a los científicos que recrean modelos de la química de la atmósfera una función realista de la distribución de la probabilidad relacionada con la energía de un relámpago para que puedan incorporarla a sus modelos y, de esta forma, lograr una mejor simulación de un relámpago (ya sea en la Tierra o en una nube)".
A partir de esto, los científicos comenzarán a comprender mejor los detalles relacionados con la producción global de uno de los contaminantes atmosféricos clave para el clima y la calidad del aire en el planeta.

Fantástico Sobrevuelo de Júpiter

Durante su paso por Júpiter, la nave espacial Nuevos Horizontes obtuvo datos e imágenes cuya belleza e importancia no tienen precedentes.

Mayo 1, 2007: La NASA dio a conocer una serie de impresionantes imágenes de Júpiter y sus lunas, tomadas por la sonda espacial Nuevos Horizontes (New Horizons). La serie de imágenes incluye una película de una erupción volcánica en la luna Io, del planeta Júpiter, así como también una toma nocturna de auroras y lava en Io, una fotografía en colores de la "Pequeña Mancha Roja" agitándose en las bandas nubosas superiores del planeta gigante, imágenes de pequeñas lunas amontonando polvo y rocas a través de los tenues anillos de Júpiter —y mucho más: Visite la galería completa.
"Estaremos analizando estos datos durante meses", dice Alan Stern, el Administrador Asociado del Directorio de la Misión e Investigador Principal del proyecto Nuevos Horizontes, en las oficinas centrales de la NASA. "Hemos obtenido un conjunto espectacular de productos científicos, así como también evocadoras imágenes".
Derecha: La luna Europa saliendo sobre el horizonte nuboso de Júpiter. Esta es una de las fotografías del conjunto de imágenes del sistema joviano que obtuvo la sonda espacial Nuevos Horizontes. En particular, estas imágenes fueron tomadas para propósitos artísticos, más que con fines científicos. [Más información]
El 28 de febrero, la nave Nuevos Horizontes pasó a 2.300 millones de kilómetros (1.400 millones de millas) de Júpiter, en una maniobra de asistencia gravitacional que tuvo el propósito de reducir en alrededor de tres años el tiempo total de viaje hasta Plutón. Durante varias semanas, antes y después de su mayor acercamiento, la nave robot, del tamaño de un piano, enfocó sus siete cámaras y sensores hacia Júpiter y hacia sus cuatro lunas más grandes; de este modo, registró datos de aproximadamente 700 observaciones en sus grabadoras digitales y envió esta información, de manera gradual, nuevamente hacia la Tierra. Hasta el momento, se ha recibido alrededor del 70 por ciento de un total de 34 gigabits de datos, transmitidos mediante las más poderosas antenas de NASA a través de un total de más de 970 millones de kilómetros (600 millones de millas).
Esta actividad confirmó el exitoso funcionamiento de los instrumentos y del software operativo que la nave utilizará en Plutón. "Además de preparar el terreno para nuestra llegada a Plutón, en 2015, el sobrevuelo de Júpiter fue una prueba de esfuerzo para nuestra nave y para nuestro equipo de trabajo, y ambos pasaron esta prueba con las mejores calificaciones", añade Stern.
Uno de los momentos más memorables del sobrevuelo fue cuando se logró el primer plano de la Pequeña Mancha Roja en colores:

Arriba: La "Pequeña Mancha Roja" de Júpiter. Crédito: Nuevos Horizontes. [ Más información]
Esta tormenta mide casi la mitad del tamaño de la Gran Mancha Roja de Júpiter y representa aproximadamente el 70 por ciento del diámetro de la Tierra. Se formó a finales de la década de 1990, cuando tres tormentas más pequeñas chocaron y se unieron. La tormenta combinada fue de color blancuzco al principio, pero hace poco más de un año comenzó a tornarse roja. Usando datos proporcionados por la nave Nuevos Horizontes, los científicos podrán buscar pistas sobre cómo se forman y por qué cambian de color estos grandes sistemas de tormentas.
"Esta es la mejor vista que se ha obtenido de las primeras etapas de una tormenta de esta índole", dijo Hal Weaver, científico del proyecto Nuevos Horizontes del Laboratorio de Física Aplicada (APL, por su sigla en inglés) de la Universidad Johns Hopkins, en Laurel, Maryland. El APL construyó, y actualmente opera, la sonda Nuevos Horizontes.
Desde varios ángulos y tipos de iluminación, la nave Nuevos Horizontes también obtuvo las imágenes más nítidas que se han logrado del sistema de los tenues anillos jovianos. En ellas, los científicos descubrieron una serie de inesperados arcos y grumos de polvo, que indican el reciente impacto de un objeto pequeño contra los anillos.
Derecha: Bandas muy bien definidas de material compuesto por rocas de tamaños que varían desde gravillas hasta cantos en los anillos de Júpiter, oscuros como el carbón. Crédito: Nuevos Horizontes. [Más información]
Las películas filmadas por la nave Nuevos Horizontes también permitieron lograr vistas inéditas de la dinámica de los anillos de Júpiter, con las pequeñas lunas interiores Metis y Adrastea, que parecen amontonar el material alrededor de los anillos. (Descienda hasta la mitad de esta página de internet para ver las películas).
"Estamos comenzando a ver que los anillos pueden evolucionar rápidamente, con cambios que se han podido detectar durante semanas y meses", dijo Jeff Moore, del equipo científico a cargo del encuentro de la nave Nuevos Horizontes con Júpiter, que trabaja en el Centro de Investigaciones Ames de la NASA, en Moffett Field, California. "Hemos visto fenómenos similares en los anillos de Saturno".
De las cuatro lunas más grandes de Júpiter, el equipo enfocó su atención en la volcánica Io, el cuerpo con más actividad geológica del sistema solar. Las cámaras de la nave Nuevos Horizontes capturaron depósitos de hirviente y brillante lava, esparcidos por toda la superficie de la luna, docenas de pequeñas manchas brillantes de gas y varias vistas fortuitas de un penacho de polvo con forma de sombrilla, iluminado por la luz del Sol, que se elevó desde el volcán Tvashtar aproximadamente 330 kilómetros hacia el espacio. Son las mejores imágenes que se han logrado hasta ahora de una erupción gigante en la torturada luna.

Arriba: Io de noche. En la imagen se pueden apreciar los puntos volcánicos calientes y un brillo auroral, producido como radiación intensa, cuando la magnetosfera joviana bombardea la atmósfera de Io. Crédito: Nuevos Horizontes. [Más información]
La sincronización y la posición de la trayectoria de la nave espacial permitieron también espiar muchas de los misteriosas depresiones circulares talladas en la luna helada Europa. Los datos sobre el tamaño, la profundidad y la distribución de estas depresiones, descubiertos por la misión Galileo durante su viaje en órbita alrededor de Júpiter, ayudarán a los científicos a determinar el espesor de la capa de hielo que cubre el océano de Europa.
Nuevos Horizontes es, hasta el momento, la nave espacial más veloz que se ha lanzado hacia el espacio; llegó a Júpiter en 13 meses, luego de despegar de la estación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en Cabo Cañaveral, Florida, en enero de 2006. El sobrevuelo aceleró la nave 15.000 kilómetros más por hora, lo cual le permitió alcanzar una velocidad total superior a los 80.000 kilómetros por hora, y asimismo posibilitó planificar la llegada a Plutón para julio de 2015.
Derecha: El volcán Tvashtar en Io. Haga clic aquí para ver una película en dos cuadros del penacho en acción. [ Más información]
La cantidad de observaciones de Júpiter resultó ser, de hecho, el doble de las que se planearon hacer en Plutón. La nave Nuevos Horizontes realizó la mayoría de estas observaciones durante el máximo acercamiento al planeta, el cual fue guiado mediante más de 40.000 comandos independientes desde la computadora ubicada a bordo de la nave.
"Podemos realizar simulaciones y tomar imágenes de prueba de estrellas, y de este modo podemos saber que las cosas probablemente funcionarán bien al llegar a Plutón", dijo John Spencer, subdirector del equipo científico a cargo del encuentro de la nave Nuevos Horizontes con Júpiter, en el Southwest Research Institute (Instituto de Investigaciones del Suroeste), en Boulder, Colorado. "Pero el hecho de tener un planeta para observar y muchos datos para trabajar nos dice que la nave espacial y su equipo pueden hacer todas estas cosas tan fabulosas. Sin este sobrevuelo de Júpiter, que nos permitió optimizar el sistema y dejar volar nuestra imaginación, no hubiera sido posible explorar todas las capacidades de la nave".
Y habrá más: la nave Nuevos Horizontes realizará un vuelo sin precedentes por la larga cola magnética de Júpiter, donde analizará la intensidad de partículas cargadas por la energía solar, que fluyen a cientos de millones de kilómetros más allá del planeta gigante. ¡Manténgase informado!