MUESTREO Y EXPLORACIÓN GEOTÉCNICA EXTRATERRESTRE 50 AÑOS DESPUÉS DEL APOLO 11

La exploración de la superficie lunar continuó durante la era Apolo (1969-1972) y ayudó a desarrollar el conocimiento necesario para planificar futuras actividades en la superficie lunar, y los estudios de la mecánica del suelo formaron parte de todas las misiones Apolo. La misión Apolo 11 que llevó al primer ser humano a la Luna también aportó las primeras muestras de rocas y regolitos, y proporcionó los primeros datos del penetrómetro. Durante misiones posteriores, se recolectaron muestras de superficie y, a partir del Apolo 15, el taladro de superficie lunar Apollo operado por baterías permitió tomar muestras de núcleos de 2 a 4 cm de diámetro a una profundidad de hasta 3 m en el regolito lunar. Entre 1969 y 1972, aproximadamente 382 kg de rocas y suelo lunares procedentes de seis sitios de exploración diferentes fueron devueltos a la Tierra, proporcionando una nueva comprensión de la historia y composición de la Luna y los primeros datos sobre las características físicas y mineralógicas de los depósitos superficiales lunares.

Las misiones Apolo 14-16 también incluyeron un programa de pruebas de penetración in situ para estudiar en profundidad las propiedades geotécnicas del regolito lunar. Los astronautas del Apolo 14 utilizaron el penetrómetro simple del Apolo para realizar pruebas de penetración de 2 puntos, mientras que los astronautas del Apolo 15 y 16 utilizaron el penetrómetro de registro automático (SRP) para 17 pruebas en 3 sitios en 2 regiones de la Luna. El SRP (Figura 1), el único dispositivo exclusivo del Experimento de Mecánica de Suelos de Apollo, utilizó conos de 12,8 o 20,3 mm de diámetro y proporcionó registros continuos de fuerza versus profundidad de penetración que se inscribieron en un tambor de grabación. La profundidad máxima de exploración de 76 cm alcanzada por el SRP estuvo finalmente limitada por la fuerza de reacción máxima proporcionada por el peso de un astronauta.

Se recopilaron datos geotécnicos adicionales sobre las propiedades del subsuelo del regolito lunar durante las misiones soviéticas Lunokhod 1 y 2 utilizando un penetrómetro de cono-veleta (Figura 2), una herramienta formada por un penetrador cónico de 5 cm de diámetro y 60° equipado con dos paletas verticales, que podrían medir la resistencia a la penetración, así como la resistencia al corte movilizada durante la rotación de la paleta. Aunque estaba limitado a una profundidad de 10 cm, el penetrómetro de cono-veleta se utilizó entre 1970 y 1973 para obtener datos en aproximadamente 1.000 lugares de la superficie lunar. En conjunto, los datos del penetrómetro de las misiones Apolo y Lunokhod proporcionaron la primera visión de la composición y variación de las propiedades del subsuelo lunar con la profundidad, mostraron evidencia de variabilidad espacial en y entre los sitios investigados y permitieron refinar el regolito lunar existente.

Los éxitos de los programas Surveyor y Apolo animaron a la humanidad a seguir superando los límites técnicos explorando cuerpos planetarios más distantes, pero, sin importar el destino, el enfoque siguió siendo el mismo: los datos engendran datos. De manera similar a la forma en que Surveyor allanó el camino para Apolo, los éxitos de programas orbitales precursores como Mariner y Pioneer permitieron el diseño de seguimientos más complejos a Marte y Venus.

Los módulos de aterrizaje gemelos Viking que alcanzaron la superficie de Marte en 1976 fueron los primeros en recopilar datos geotécnicos en el planeta rojo a partir de una serie de estudios de excavación ejecutados por un brazo robótico y una pala. También fueron (quizás lo más importante) las primeras misiones en utilizar análisis químicos mediante instrumentación a bordo para buscar biomarcadores en otro planeta. Demostraron que se había alcanzado el umbral del conocimiento geotécnico para hacer posible un aterrizaje suave en nuestro vecino más interesante desde el punto de vista científico, y esta nueva capacidad presagiaba el énfasis en la detección de vida de la mayoría de las misiones futuras.

Sin embargo, el cierre de la carrera espacial poco después significó que Viking 2 fuera la última misión de la NASA en tocar suelo no terrestre en dos décadas y la última vez que se desplegó un instrumento geotécnico dedicado en otro cuerpo planetario hasta 2018.

Los logros del programa Apolo fueron impresionantes. Sin embargo, a medida que la carrera espacial llegó a su fin, la motivación política y la opinión pública cambiaron hacia otras prioridades, cuestionando incluso los fundamentos de la exploración. Esto ha provocado una transición en las fuentes de inversión para la exploración espacial. Con el tiempo, la tecnología comercial ha avanzado, basándose en las capacidades en las que los científicos e ingenieros de la NASA habían sido pioneros y poniendo más capacidades en manos de los exploradores modernos.

En la era actual, se han realizado más misiones de exploración a Marte que a cualquier otro destino del sistema solar. El objetivo de estas misiones, en su mayor parte, han sido intentos cada vez más sofisticados de análisis químico y detección de vida. La tecnología diseñada para aterrizar las cargas útiles ha madurado y, como resultado, el conocimiento del entorno general ha pasado a un segundo plano.

Pero el rejuvenecido interés (tanto público como privado) en la exploración tripulada que ha aumentado en los últimos años indica que se avecina otro período de innovación revolucionaria (Figura 3), que nuevamente permitirá grandes avances en la exploración geotécnica planetaria.

Ahora que la tecnología ha llegado al punto en el que la presencia humana sostenida en entornos tan hostiles podría ser factible, la única parte de la ecuación que aún debe resolverse es cómo reducir la masa de consumibles como agua, oxígeno y materiales de construcción. que habrá que transportar como carga pesada no deseada. Como resultado, esta nueva era se definirá por la capacidad de utilizar los recursos que ya están en estos destinos. De la misma manera que las misiones Apolo fueron habilitadas por el programa Surveyor, estas nuevas misiones serán habilitadas por una serie de misiones de prospección precursoras para comprender lo que es realmente posible. La utilización de recursos in situ (ISRU) en general existe en dos áreas de énfasis amplias, pero a veces relacionadas.

El primero es la extracción de hielo de agua y oxígeno a partir de silicatos de regolito. El hielo accesible es a menudo un importante factor a la hora de seleccionar los lugares de aterrizaje para misiones tripuladas hipotéticas debido a los múltiples usos del agua: en forma no modificada, puede utilizarse para la agricultura o el consumo humano, y para proteger contra la radiación espacial, o puede electrolizarse para obtener oxígeno que pueda ser respirado o utilizado como propulsor, y el hidrógeno para su uso en pilas de combustible. El mapeo orbital ha realizado parte del trabajo de localizar agua tanto en la Luna como en Marte, pero es necesaria una comprensión precisa de la accesibilidad de esa agua.

La segunda área importante para ISRU se centra en términos generales en la construcción, excavación y minería. La construcción se puede dividir a su vez en dos subtemas principales: superficies mejoradas (pistas de aterrizaje, caminos y cimientos) y materiales de construcción. Lo primero requiere un conocimiento amplio de las propiedades del subsuelo más profundas que las que se han caracterizado hasta ahora. Este último tiene preguntas abiertas mucho más amplias sobre qué tan abundantes son los posibles materiales de sustrato en un sitio de interés y si requieren un aglutinante consumible, qué tipo de protección contra la radiación podrían proporcionar los materiales disponibles y qué tan compatibles son los materiales con procesos como la impresión 3D para fabricar. La exploración geotécnica probablemente desempeñará un papel fundamental para responder a todas estas preguntas.

La “caja de herramientas” de recursos disponibles para la exploración geotécnica se ha ampliado significativamente desde la era Apolo. Ha sido impulsado por avances en tecnologías de detección, instrumentación, robótica, almacenamiento de datos y análisis.

Las tecnologías actuales permiten el acceso a sitios remotos, se pueden implementar en entornos hostiles, permiten el muestreo y la caracterización de una gama cada vez más amplia de geomateriales, facilitan la recopilación de datos remotos y proporcionan los datos multifísicos necesarios para abordar los problemas emergentes en los campos geoambiental y energético. Por ejemplo, la tecnología del penetrómetro de cono ha avanzado mucho desde la era Apolo. Hoy en día, la caja de herramientas combina de forma rutinaria la recopilación de parámetros de penetración con mediciones de propagación de ondas de corte, y sus capacidades se han ampliado aún más con sondas de muestreo especiales y una gama de sensores para la caracterización química del subsuelo.

En otros frentes, el trabajo en geotecnia marina ha demostrado que las mediciones geotécnicas pueden obtenerse de forma fiable en entornos hostiles. Además, la experiencia con materiales como los sedimentos que contienen hidratos ha demostrado la capacidad de tomar muestras de geomateriales complejos preservando cuidadosamente su estado in situ. Desarrolladas en nuestro planeta de origen, todas estas son capacidades que facilitan la exploración geotécnica más allá de la Tierra.

A pesar de estos avances, la implementación de cualquier tecnología terrestre en cuerpos planetarios distantes sigue siendo cuestionada por una serie de factores. Incluyen la necesidad de integrar herramientas en plataformas robóticas y realizar pruebas de forma remota, con retrasos en la comunicación que limitan la capacidad de hacer frente a sucesos impredecibles y, según el terreno, dificultades para acceder a los lugares de prueba deseados. Además, la necesidad de optimizar la masa de los sistemas para el vuelo conlleva limitaciones de potencia y de fuerzas de reacción, lo que limita la profundidad de penetración.

Impedimentos adicionales se derivan de preocupaciones sobre la contaminación de las muestras y, especialmente en condiciones de gravedad muy baja, de desafíos con el manejo y manejo de partículas. Por último, dado que el coste de las misiones no tripuladas actualmente previstas a Marte supera los 2.000 millones de dólares, el despliegue de cualquier tecnología a millones de kilómetros de la Tierra no deja margen de error. Durante la última década, las capacidades para simular problemas geotécnicos cada vez más complejos, tanto a nivel continuo como discreto, también han mejorado significativamente.

Las mediciones in situ de propiedades geotécnicas también son fundamentales para validar estos modelos en condiciones extraterrestres, un proceso que, hasta la fecha, ha sido cuestionado por los limitados datos disponibles, la incertidumbre asociada con las pruebas de simulantes de regolito y las dificultades para replicar la gravedad reducida y condiciones de poca o ninguna presión atmosférica dentro de las limitaciones (pequeña escala y corta duración) de los vuelos de gravedad reducida.

En general, estos “desafíos” en realidad representan nuevas oportunidades para la profesión geotécnica. Ahora contamos con un sólido conjunto de “incógnitas conocidas” que pueden informar las agendas de investigación y desarrollo en curso. Si bien algunas preguntas son técnicas, otras se refieren a políticas, creación de ecosistemas y economía para respaldar el desarrollo de las soluciones necesarias. Se están logrando avances en varios de estos frentes a través de iniciativas tanto del gobierno como de la industria privada.

En lo que respecta a la instrumentación geotécnica planetaria, un instrumento actualmente en desarrollo es el sistema Honeybee Stinger (Figura 4), que está diseñado como una carga útil montada en un vehículo explorador con una masa de sólo 8,6 kg. El Stinger combina el penetrómetro de autorregistro Apolo y los enfoques integrados de cono-veleta de Lunokhod para medir la resistencia al corte, al tiempo que aborda las deficiencias de los diseños originales.

La punta de su sonda, diseñada a partir del cono de un penetrómetro de cono, permite una medición continua de la resistencia a la penetración a medida que se empuja robóticamente hacia el suelo. Una paleta de corte inicialmente alojada dentro de la punta del cono puede desplegarse a cualquier profundidad para realizar una prueba de corte (Figura 5) y posteriormente retraerse para una mayor penetración del cono hasta profundidades de 100 cm. Estas mediciones permitirán la caracterización de las propiedades mecánicas de la sobrecarga necesarias para impulsar el diseño de las ruedas y los sistemas de excavación. Como parte de su desarrollo, Stinger ha sido probado en varios simulantes lunares y marcianos, así como en el desierto de Atacama en Chile, un sitio análogo a Marte favorito de la NASA por sus lluvias poco frecuentes. Otro instrumento se centra en la prospección de hielo de agua de ISRU.

Considerado "El taladro de hielo y regolito para explorar nuevos terrenos", o TRIDENT para abreviar, el sistema es esencialmente un taladro percutor con una broca de 1 m de largo diseñada para tomar muestras de regolito lunar que puede estar cargado de agua. Lleva cortes a la superficie, donde MSolo, un espectrómetro de masas, puede medir los volátiles que se subliman naturalmente cuando se exponen al vacío. Al perforar en “mordidas”, se puede lograr una resolución de profundidad de 10 cm o menos. Los registros de carga de perforación y un sensor de temperatura integrado en la barrena proporcionan datos adicionales sobre la profundidad.

La combinación de estas mediciones contribuirá directamente a la planificación de misiones futuras, permitiendo el desarrollo de tecnología que recolectará el agua atrapada en algunas de las primeras aplicaciones ISRU verdaderas. TRIDENT ha sido probado intensamente para su funcionamiento en vacío criogénico y su capacidad de supervivencia a impactos y vibraciones, así como en entornos no lunares como el desierto de Atacama y la isla Devon, Canadá. Actualmente está previsto que el emparejamiento TRIDENT-MSolo vaya a la Luna en 2022 como parte de la misión VIPER de la NASA.

Más allá de los instrumentos de evaluación, la investigación también se centra en tecnologías que puedan funcionar con recursos ya disponibles en el espacio. Esta es una de las áreas de énfasis de los laboratorios Swamp Works del Centro Espacial Kennedy de la NASA, donde se desarrolló y probó la excavadora RASSOR (Figura 6) en el contenedor Regolith de la instalación, que alberga más de 91 mg de roca volcánica fina, un análogo para la superficie de Marte.

Incluso sin un conocimiento detallado de las propiedades geotécnicas, se puede predecir que la excavación en otro cuerpo planetario será difícil debido al aumento de la densidad con la profundidad y las fuerzas de reacción limitadas en condiciones de gravedad reducida. Para ello, RASSOR replantea la excavación apoyándose en la acción continua de palas montadas sobre tambores de cucharas contrarrotativos.

Este diseño logra fuerzas de reacción casi nulas, lo que permite cargar, transportar y descargar regolito espacial en condiciones de baja gravedad. RASSOR está diseñado para navegar en pendientes pronunciadas y terrenos accidentados, girar hacia la derecha y girar cuando está atascado, y su diseño simétrico le permite operar en reversa y recuperarse de un vuelco. También se están llevando a cabo investigaciones sobre la interacción herramienta-regolito en el Laboratorio SLOPE de la NASA, donde los investigadores están trabajando para desarrollar soluciones más universales para la transitabilidad.

La clave para cualquier operación de exploración extraterrestre es la movilidad y tecnología especializada, como los neumáticos superelásticos inteligentemente diseñados (fabricados a partir de aleaciones con memoria de forma), que son robustos para conducir sobre rocas afiladas en la Luna y Marte. Los neumáticos pueden funcionar en terrenos con baja resistencia al corte a las frías temperaturas del espacio profundo, lo que, en algunos casos, puede evitar la necesidad de mejorar la superficie antes de atravesar terrenos pobres.

Desafíos como los experimentados al introducir el topo en las profundidades del subsuelo de Marte durante la reciente misión Mars InSight demuestran que la mecánica del suelo y la ingeniería geotécnica todavía desempeñan un papel fundamental en el apoyo a la exploración del espacio profundo. Y si bien quedan dudas sobre nuestra capacidad colectiva para abordar las preguntas que tenemos ante nosotros, rara vez ha habido una misión más importante para motivar a la comunidad geotécnica.