Redacción
Este verano, la NASA planea lanzar su próximo explorador de Marte, Perseverance, que llevará consigo la primera aeronave que volará en otro planeta, el Helicóptero de Marte. Como el primero de su clase, el Helicóptero de Marte no llevará ningún instrumento y no recogerá ningún dato, la NASA describe el simple hecho de hacerlo volar como una investigación de “alto riesgo y alta recompensa”.
Teniendo en cuenta los riesgos del vuelo extraterrestre, unos ingenieros de la universidad de Pennsylvania están sugiriendo un enfoque diferente para explorar los cielos de otros mundos: una flota de pequeñas aeronaves que pesan tanto como una mosca de la fruta y no tienen partes móviles.
Estos ingenios voladores son simples placas de “nanocartón”, que levitan cuando la luz intensa brilla sobre ellos. A medida que un lado de la placa se calienta, el diferencial de temperatura hace que el aire circule a través de su estructura hueca y salga disparado por los canales corrugados que le dan su nombre, empujándolo fuera del suelo.
Un estudio recientemente publicado demuestra las capacidades de vuelo y de transporte de carga útil de los nanocartones en un entorno similar al de Marte. La atmósfera más delgada de allí daría a los vehículos un impulso, permitiéndoles llevar cargas útiles diez veces más masivas que ellas. La débil gravedad marciana aumentaría aún más sus capacidades.
El estudio, publicado en la revista Advanced Materials, fue dirigido por Igor Bargatin, profesor en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada (MEAM), y John Cortés, entonces un estudiante graduado en su laboratorio. Los miembros del laboratorio, Christopher Stanczak, Mohsen Azadi, Maanav Narula, Samuel M. Nicaise y el profesor Howard Hu también contribuyeron al estudio.
Ilustración del concepto de aparato volador. (Foto: Bargatin Group, Penn Engineering)
“El helicóptero de Marte es muy emocionante, pero sigue siendo una máquina única y complicada”, dice Bargatin. “Si algo sale mal, su experimento se termina, ya que no hay forma de arreglarlo. Proponemos un enfoque completamente diferente que no pone todos los huevos en una sola cesta”.
El grupo de Bargatin ha estado experimentando y mejorando el diseño de su nanocartón desde 2017. Inspirados por el material común de embalaje de papel, colaboraron con los investigadores del Centro Singh de Nanotecnología para lograr una proporción récord de peso y rigidez, como se informó en un reciente artículo de Nature Communications.
Al igual que el papel-cartón y otros “compuestos estructurados en sándwich” utilizados en la arquitectura y la aviación, las propiedades materiales del nanocartón se derivan de la ondulación. Consistente en una placa hueca de paredes de óxido de aluminio de solo unos pocos nanómetros de espesor, esa corrugación es un patrón regular de canales que se extienden por la placa, lo que aumenta su rigidez a la flexión e impide que se propaguen las grietas.
Estos canales también son responsables de la capacidad de las placas para levitar, ya que al crear un diferencial de temperatura se genera una corriente de aire que fluye a través de su estructura hueca.
“La corriente de aire a través de estos micro-canales es causada por un fenómeno clásico llamado ‘arrastre térmico’“, dice Hu, “que es un flujo de gas enrarecido debido al gradiente de temperatura a lo largo de la pared del canal”.
Su reciente estudio permitió a los investigadores medir la capacidad de los vehículos voladores para levantar cargas útiles simuladas – anillos de silicona, fijados a la parte superior de las placas – gracias a una nueva cámara de pruebas de baja presión con cámaras y fuentes de luz integradas.
El estudio de estas dinámicas es importante para examinar el potencial de las placas de nanotecnología como material para las sondas atmosféricas, especialmente en otros mundos, incluyendo Marte, Plutón y la luna Tritón de Neptuno. Debido a que los vehículos de nanocartón de Bargatin pesan alrededor de un tercio de miligramo, se necesitaría más de un millón de ellos para igualar la masa del helicóptero de Marte, y más de seis mil millones para igualar el rover terrestre que lo desplegará.
Pero incluso en el ambiente ideal de la atmósfera marciana, los diminutos aparatos todavía estarían limitados a sensores y cargas útiles que pesan como mucho unos pocos miligramos. Ante eso, Bargatin está colaborando ahora con otros investigadores en cómo miniaturizar los sensores químicos que podrían detectar agua o metano, claves para la vida en Marte.
“Además de llevar sensores”, dice Bargatin, “nuestros vehículos podrían simplemente aterrizar y tener granos de polvo o arena pegados pasivamente a ellos, y luego transportarlos de vuelta al rover para que no tenga que viajar tan lejos”.
El rover también podría proporcionar un medio de pilotarlos. A pesar de no tener partes móviles, pueden ser dirigidos por medio de un láser de precisión, ya que la dirección del aire que sale de sus canales depende de qué partes de la placa se calientan.
También son posibles aplicaciones terrestres.
“La mesosfera de la Tierra es bastante similar a la atmósfera marciana en términos de densidad, y actualmente no tenemos nada que vuele allí, ya que es demasiado baja para los satélites espaciales pero demasiado alta para los aviones y los globos”, dice Bargatin. “Lo ideal sería tener algunos sensores ahí arriba también. Cuanto más conocimiento tengas sobre el movimiento de la atmósfera a ese nivel, mejores predicciones podrás hacer sobre el clima de la Tierra e incluso sobre el tiempo”.
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