Publicado: 
31 de enero de 2005

Las Arenas de Marte


Transporte, excavación, y explotación minera: Estas son actividades que los astronautas realizarán un día en las arenas de Marte. No es tan sencillo como parece.

NASA

Enero 31, 2005: Imagine este panorama. Es el año 2030, aproximadamente. Después de viajar seis meses desde la Tierra, usted y otros astronautas son los primeros seres humanos sobre Marte. Están parados sobre un mundo extraño con una polvorienta suciedad rojiza bajo sus pies, buscando equipo para minería depositado por previos módulos robotizados de descenso.

s93_45591_med2.jpg
Retumban en sus oídos las palabras finales del control de misión: "Su misión, si desean aceptarla, 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 todos los días. ¿Por qué no en Marte, también? Pero no es tan sencillo. Nada acerca de la física del material granular lo es.

La física del material granular es la ciencia de los granos, 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 para 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 de combustible líquido o a gas".

Se pregunta entonces, "¿comprendemos el procesamiento de material granular lo suficientemente bien para reproducirlo en Marte?"

ver leyenda

Arriba: Suelo de Marte en 3 dimensiones fotografiado por el vehículo todo terreno Spirit en el año 2004. Póngase las gafas rojas-azules para observar. [Imagen ampliada] [Más información]

Comencemos con la excavación: "Si se excava una zanja en Marte, ¿qué tan pendientes pueden ser las paredes 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 se conoce con suficiente detalle.

Se puede obtener alguna información sobre la composición mecánica de los suelos de Marte hasta un metro de profundidad aproximadamente. Esto se hace por medio de radares que penetran el suelo o por otros dispositivos de sonido, anota Sture; pero a profundidades mayores "probablemente se necesitaría extraer muestras representativas". Phoenix, el módulo de descenso en Marte de la NASA (que descenderá a la superficie en el año 2008) podrá excavar zanjas de aproximadamente medio metro de profundidad, y el Laboratorio de Ciencias de Marte podrá cortar y extraer muestras interiores de las rocas. Ambas misiones suministrarán nuevos y valiosos datos.

ver 
leyenda
Para lograr excavar a mayores profundidades, Sture (con la colaboración del Centro para Construcciones Espaciales de la Universidad de Colorado) está desarrollando nuevos diseños de excavadoras cuyos sistemas para el desplazamiento y la excavación se efectúa por medio de vibraciones sobre 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 también a Marte.

Derecha: Las grúas en Marte podrían utilizar cucharones vibrantes para la excavación. Crédito: Stein Sture.

Otro problema adicional aparece en el uso de 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 atasca.

Existen también problemas de transporte. Desde el año 2004, los vehículos todo terreno de Marte, el Spirit y el Opportunity, han tenido pocos problemas para desplazarse por kilómetros alrededor de sus sitios de descenso. Estos todo terreno son sólo del tamaño de un típico escritorio de oficina con la masa de una persona adulta. Son carros pequeños comparados con los vehículos de gran tamaño que posiblemente se necesitarán para transportar toneladas de rocas y arena del suelo de Marte. Los vehículos más grandes van a tener más dificultades para desplazarse.

spirit_med2.jpg
Izquierda: Una interpretación artística del vehículo todo terreno Spirit. El Spirit y su mellizo, el Opportunity, han estado explorando Marte desde Enero del 2004. [Más información]

A principios de los años sesenta cuando los científicos estaban estudiando los posibles robots 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 rodaje sobre los suelos de Marte es solamente de 14 gramos por centimetro cuadrado (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 Spirit y Opportunity.

Una presión de contacto de rodaje de solamente 0.2 psi "significa que el vehículo tiene que ser liviano o debe 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 superficiales endurecidas —las pequeñas láminas de suelos adheridos, como la corteza delgada que se forma por la nieve soplada por el viento aquí en la Tierra— y se queden atascadas".

Este requisito implica que el vehículo que va a transportar cargas más pesadas, como personas, viviendas y equipos, debe ser "un vehículo 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 vehículo 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.

ver leyenda

Arriba: Un Sistema de Movilidad de Circuito Elástico que puede operar bien en los mundos con suelos polvorientos como los de Marte y la Luna. Crédito de la fotografía: Stein Sture.

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 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 (por ejemplo bajo el abrigo de grandes rocas).

Imagen de Subscripción

Anótese aquí para recibir nuestro servicio de ENTREGA INMEDIATA DE NOTICIAS CIENTÍFICAS
Retornando al gran interrogante de Jenkins "¿entendemos el procesamiento del material granular lo suficiente para poder implementarlo en Marte?" La intrigante respuesta es: Hasta ahora no lo sabemos.

El trabajo con base en conocimientos incompletos es aceptable en la Tierra, puesto 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 robots 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.