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Según múltiples pruebas, Venus fue una vez un planeta muy diferente al actual. Pero hace aproximadamente 500 millones de años, un evento masivo de resurgimiento desencadenó un efecto invernadero desbocado que condujo al ambiente caliente, venenoso e infernal que vemos allí hoy. Por lo tanto, el estudio de Venus presenta una oportunidad para modelar la evolución de los entornos planetarios, que puede servir de referencia para lo que podría ocurrir en el futuro.
En los próximos años, la NASA planea enviar misiones más ligeras que el aire a Venus para explorar la atmósfera por encima de las cimas de las nubes, donde las temperaturas son estables y la presión atmosférica es comparable a la de la Tierra. Con el apoyo de la NASA, los ingenieros de la Universidad de Virginia Occidental (WVU) están desarrollando un software que permitirá a los robots aéreos basados en globos (aerobots) explorar la atmósfera de Venus en pequeñas flotas.
La investigación está dirigida por Guilherme Pereira y Yu Gu, dos profesores asociados del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la WVU. A ellos se han unido Bernardo Martínez Rocamora Jr, Chizhao Yang y Anna Puigvert i Juan, dos estudiantes de doctorado en ingeniería aeroespacial y mecánica y una estudiante de máster en ingeniería mecánica (respectivamente). Su investigación está respaldada por una subvención de 100.000 dólares del Programa Establecido para Estimular la Investigación Competitiva (EPSCoR) de la NASA.
Exploración de las cimas de las nubes
Parte de lo que hace que Venus sea fascinante para los científicos son sus similitudes con la Tierra. De hecho, Venus es conocido coloquialmente como el "planeta hermano" de la Tierra porque también es un cuerpo terrestre (es decir, rocoso) compuesto principalmente por minerales de silicato y metales diferenciados en un núcleo metálico y un manto y corteza de silicato. Sin embargo, la atmósfera de Venus es una historia muy diferente. Además de ser lo suficientemente caliente como para fundir el plomo -con una temperatura media de 464 °C- y una atmósfera más de 90 veces más densa que la de la Tierra.
Pero a una altitud de 50-70 km sobre la superficie, la temperatura y la presión de la atmósfera de Venus son similares a las de la Tierra. Esto presenta oportunidades para la investigación atmosférica utilizando vehículos más ligeros que el aire. Entre las propuestas se encuentra el High Altitude Venus Operational Concept (HAVOC) de la NASA, una serie de conceptos para una misión tripulada de 30 días que exploraría la atmósfera superior de Venus utilizando grandes naves más ligeras que el aire.
Aunque este proyecto ya no está activo, inspiró propuestas posteriores, como la Plataforma Maniobrable de la Atmósfera de Venus (VAMP), un dirigible híbrido que están desarrollando la NASA y su socio comercial, Northrop Grumman. Estos conceptos se basan en la flotabilidad y la vida aerodinámica para controlar su altitud, lo que les permite volar como un avión durante el día (utilizando la energía solar para alimentar sus baterías) y flotar por la noche para ahorrar energía.
Sin embargo, hasta ahora no se había hecho ningún esfuerzo por crear un software que permitiera a estas naves actuar de forma autónoma. Como explicaba el profesor Pereira en un reciente comunicado de prensa de WVU Today
"El objetivo principal del proyecto es proponer una solución de software que permita a los aerobots híbridos explorar la atmósfera de Venus. Aunque los vehículos híbridos se propusieron antes de este proyecto, no sabemos si se ha creado algún software. Una de las ideas de nuestro proyecto es alargar la vida de la batería del vehículo planificando rutas de bajo consumo, lo que le permitiría volar también durante la noche".
Navegar por la atmósfera de Venus
El paquete de software en el que Pereira y Gu están trabajando actualmente tendrá tres objetivos principales: Optimizar las rutas de viaje, localizar los aerobots en la atmósfera de Venus y coordinar flotas de aerobots para que trabajen juntos. El primer objetivo implica la creación de un "planificador de movimiento" que se ejecutará en los ordenadores de los aeróbots y permitirá optimizar los viajes. Cuando el equipo científico de la NASA ordene a los aerobots que se desplacen de una posición a otra, el software seleccionará rutas que minimicen la cantidad de energía utilizada y aprovechen los vientos locales.
"El planificador de movimientos se creará comprendiendo la dinámica del aerobot, las propiedades de sus paneles solares y baterías y las propiedades de la atmósfera de Venus", dijo Pereira. Con la dinámica del vehículo, el planificador sólo considerará los movimientos que sean factibles dadas ciertas entradas a la aeronave, como el empuje procedente de las hélices o las desviaciones de las superficies de control".
Para ello, el software debe tener en cuenta la interoperabilidad de los paneles solares, las baterías y la intensidad solar de la nave. Esto le permitirá determinar cuánta carga necesita el vehículo para alimentar sus sistemas y cómo será el ritmo de recarga. Con estos modelos, explicó Pereira, el planificador del movimiento calculará las rutas más eficientes desde el punto de vista energético que debe seguir el aerobot:
"El conocimiento de la atmósfera proporciona a los robots cantidades como la dirección y la magnitud del viento, la presión, la temperatura y la intensidad solar. Intentamos dar con una estrategia energética óptima. Esto es importante porque el vehículo orbitará la atmósfera de Venus en unos cuatro días. Estará expuesto a largos periodos sin luz en el lado oscuro del planeta y necesita tener suficiente energía para sobrevivir a estos periodos".
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| La nave espacial circunnavegaría Venus cada cuatro o seis días, y los paneles solares se cargarían cada dos o tres días en el lado del planeta iluminado por el sol. Crédito: CRASH Lab, Universidad de Buffalo. |
El planificador de movimiento también comparará la información sobre la posición del aerobot, su ubicación de destino deseada y la información sobre las condiciones atmosféricas entre estas dos posiciones. Si, por ejemplo, el viento sopla en la misma dirección que la ruta del aerobot hacia su destino, seleccionará esta ruta en lugar de otra que presente resistencia al viento.
"Partiendo de la posición inicial, el planificador simulará diferentes movimientos que el aerobot podría realizar y asociará los costes de cada uno de ellos en función de las cantidades mencionadas anteriormente", añade Pereira. "Después, el planificador de movimiento seguirá propagando los movimientos del aerobot con menor coste, creando un árbol de posibilidades hasta llegar a nuestro destino".
El segundo objetivo, localizar los aerobots en la atmósfera de Venus, es más complicado. Actualmente, no hay satélites GPS en órbita alrededor de Venus, lo que dificulta la localización. Por ello, Pereira y Gu están diseñando su paquete de software para poder utilizar información de otros vehículos y mapas del planeta. De este modo, varios aerobots podrán seguir sus posiciones mientras navegan por las cimas de las nubes de Venus.
El tercer objetivo es coordinar los vehículos para mejorar su localización y poder estimar mejor las condiciones atmosféricas de Venus. Para ello, Pereira y Gu se basaron en modelos de viento de la atmósfera de Venus creados por la NASA a partir de los datos obtenidos por misiones como la Pioneer Venus, la Cassini-Huygens, la MESSENGER y la Venus Express de la ESA. También planean equipar cada aerobot con sensores de viento para estimar la velocidad y dirección del viento local.
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| Black Swift Technologies ha obtenido un contrato de la NASA para desarrollar un dron para estudiar la atmósfera superior de Venus. Crédito: Black Swift Technologies |
Al compartir los datos de múltiples ubicaciones, dijo Pereira, una flota de aerobots tendrá una mejor idea de los patrones generales del viento y su distribución espacial en la atmósfera:
"La importancia del flujo de viento está relacionada con el hecho de que puede ser aprovechado para llevar al aerobot a los lugares deseados. Al igual que ocurre con los velocistas en las Olimpiadas, que consiguen mejores marcas si tienen viento de cola. Si el viento se dirige hacia la meta de la aeronave, el movimiento del aerobot se verá favorecido por el viento y, en consecuencia, la trayectoria será más eficiente energéticamente".
De cara al futuro, Pereira y Gu planean desarrollar un simulador de la atmósfera de Venus para evaluar su software y la funcionalidad de los aerobots. "Varias misiones exploratorias a Venus recogieron datos de viento, temperatura, presión y densidad del aire", dijo Pereira. "Esta información se utilizó para crear un simulador en el que, dada la latitud, la longitud y la altitud del vehículo, calculamos todas las fuerzas que actúan sobre él".
Pereira y Gu estiman que la flotabilidad del vehículo impedirá que descienda por debajo de una altitud de 50 km y tendrá una vida útil (a la altitud de crucero) de varios meses a un año. Se espera que los datos obtenidos por esta y otras misiones a Venus arrojen luz sobre la evolución de la atmósfera del planeta, la posibilidad de que Venus siga siendo volcánicamente activo y proporcionen pistas para hacer frente al efecto invernadero aquí en la Tierra.
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: WVU Today
Créditos a Universe Today