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Traje de Marte

Prototipo de traje espacial Z-2 de la NASA , que incluye tecnologías de apoyo al desarrollo de trajes EVA marcianos [1] Un traje de Marte o traje espacial de Marte es un traje e...

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Prototipo de traje espacial Z-2 de la NASA , que incluye tecnologías de apoyo al desarrollo de trajes EVA marcianos [1]

Un traje de Marte o traje espacial de Marte es un traje espacial para EVAs en el planeta Marte . [2] [3] En comparación con un traje diseñado para caminar en el espacio en el vacío cercano de la órbita terrestre baja, los trajes de Marte tienen un mayor enfoque en la caminata real y una necesidad de resistencia a la abrasión. [2] La gravedad de la superficie de Marte es el 37,8% de la de la Tierra, aproximadamente 2,3 veces la de la Luna , por lo que el peso es una preocupación importante, pero hay menos demandas térmicas en comparación con el espacio abierto. [4] En la superficie, los trajes competirían con la atmósfera de Marte , que tiene una presión de aproximadamente 0,6 a 1 kilopascal (0,087 a 0,145 psi). [5] En la superficie, la exposición a la radiación es una preocupación, especialmente los eventos de erupciones solares, que pueden aumentar drásticamente la cantidad de radiación en un corto período de tiempo.

Algunos de los problemas que enfrentaría un traje para operaciones en la superficie de Marte incluyen no tener suficiente oxígeno para la persona, ya que el aire es principalmente dióxido de carbono; además, el aire también está a una presión mucho más baja que la atmósfera de la Tierra a nivel del mar. [6] Otros problemas incluyen el polvo marciano , las bajas temperaturas y la radiación. [6]

Descripción general

El calzado del traje de Marte presumiblemente haría contacto directo con una superficie extraterrestre; se muestra la huella lunar.
Huellas del rover en Marte

Un diseño de traje para Marte de la década de 2010, el traje Z-2 de la NASA, tendría parches electroluminiscentes para ayudar a los miembros de la tripulación a identificarse entre sí. [7] Tres tipos de pruebas planeadas para el Z-2 incluyen pruebas en una cámara de vacío, pruebas en el Laboratorio de Flotabilidad Neutral de la NASA (una gran piscina para imitar la gravedad cero) y pruebas en un área rocosa desértica. [8] (Véase también: Trajes espaciales de la serie Z ).

El rover Perseverance Mars 2020 tiene una prueba de materiales que se espera que ayude al desarrollo del traje de Marte, el experimento SHERLOC ; incluye un objetivo de prueba con materiales de trajes espaciales. [9] La prueba medirá cómo estos materiales de traje se ven afectados por el entorno marciano. [9] Se han elegido seis materiales para la prueba: Orthofabric, Teflon , Teflon recubierto con nGimat, Dacron , Vectran y Policarbonato . [10] La prueba ayudará a seleccionar los mejores materiales para futuros trajes espaciales de Marte. [10] Orthofabric es un material polimérico compuesto por un tejido de fibras GORE-TEX , Nomex y Kevlar -29. [11]

La NASA probó posibles materiales para los trajes espaciales marcianos exponiéndolos a una radiación ultravioleta (UV) equivalente a la de Marte durante 2500 horas, y luego estudió cómo se vieron afectados los materiales. [12] Una de las preocupaciones con respecto a los trajes marcianos es cómo responden los materiales al polvo marciano químicamente reactivo y a la exposición a la radiación ultravioleta, especialmente durante los períodos de tiempo y la cantidad de uso que se espera que tengan los trajes. [13]

Un investigador que trabajaba en el diseño de trajes EVA para la superficie de Marte se inspiró en parte en los trajes de armadura medievales . [14] Algunas ideas para los trajes de Marte son una pantalla de visualización frontal proyectada en la visera, equipo de comunicaciones incorporado, soporte vital y un asistente de reconocimiento de voz . [14]

Ejemplos de preocupaciones de diseño: [14]

  • Vientos de alta velocidad cargados de polvo abrasivo de Marte [14]
  • Radiación como los rayos cósmicos [14]
  • Temperaturas bajas de hasta -130 °C (-202 °F; 143 K) [14]
  • Exposición a la luz ultravioleta [15]

Un aspecto del diseño de la misión a Marte es si los trajes para Marte también deberían poder funcionar en el espacio o solo en la superficie. [4]

Diseños

Traje espacial rígido AX-5 de la NASA

El Biosuit es un traje de contrapresión mecánica , que da como resultado una forma que se ajusta al cuerpo. [16] En este tipo de traje, la presión provendría de la estructura y elasticidad del material, mientras que con los trajes espaciales anteriores la presión proviene del gas presurizado, como un globo lleno. [17] La ​​presión del gas puede hacer que un traje flexible sea muy rígido, como un globo inflado. [17]

El traje Aoudo del Austrian Space Forum es un simulador de traje espacial para superficies planetarias. [18] El traje se ventila con aire ambiente, pero tiene una serie de características que ayudan a simular un traje espacial, así como tecnologías de mejora de pruebas como una pantalla de visualización frontal dentro del casco. [19] El AX-5 era parte de una línea de trajes duros desarrollados en NASA Ames. Los trajes actuales son trajes blandos o híbridos y utilizan una atmósfera de oxígeno puro de menor presión, lo que significa que las personas que van a EVA deben respirar oxígeno previamente para evitar sufrir la enfermedad por descompresión. Un traje duro puede utilizar una atmósfera de alta presión, lo que elimina la necesidad de respirar previamente, pero sin ser demasiado difícil de mover como lo sería un traje blando de alta presión.

Se utilizó un traje simulado de Marte para las pruebas analógicas de vuelos espaciales basados ​​en la Tierra HI-SEAS de la década de 2010 en Hawái, EE. UU. [20] .

El diseño del traje de Marte se ha utilizado como tema de educación tecnológica . [21]

Comparación con el traje lunar del Apolo

Unidad de movilidad extravehicular del Apolo (traje lunar), del Apolo 17

El traje EVA lunar del Apolo se denominó Unidad de Movilidad Extravehicular (EMU). Además del traje presurizado, incluía el Sistema de Soporte Vital Portátil (mochila) y un Sistema de Purga de Oxígeno (OPS) de emergencia que proporcionaba 30 minutos de oxígeno en caso de emergencia. El sistema combinado pesaba 212 libras en la Tierra, pero solo 35,1 libras en la Luna. [22]

Requisitos de diseño ambiental

Los factores más críticos para la supervivencia inmediata y la comodidad en la superficie marciana son proporcionar: presión suficiente para evitar la ebullición de los fluidos corporales; suministro de oxígeno y eliminación de dióxido de carbono y vapor de agua para respirar; control de la temperatura; y protección contra la radiación cósmica .

Presión

Traje de presión parcial para vuelo a gran altitud

La presión atmosférica en Marte varía con la altitud y las estaciones, pero no hay suficiente presión para sustentar la vida sin un traje de presión. La presión más baja que el cuerpo humano puede tolerar, conocida como el límite de Armstrong , es la presión a la que el agua hierve (se vaporiza) a la temperatura de un cuerpo humano, que es de aproximadamente 6,3 kilopascales (0,91 psi). [23] Se ha medido que la presión superficial promedio en Marte es solo alrededor de una décima parte de esto, 0,61 kilopascales (0,088 psi). [24] La presión más alta, en la elevación superficial más baja, el fondo de la cuenca Hellas , es de 1,24 kilopascales (0,180 psi), aproximadamente el doble del promedio. [25] Hay una variación estacional a lo largo del año marciano (aproximadamente dos años terrestres) ya que el dióxido de carbono (95,9% de la atmósfera) se congela secuencialmente y luego se sublima nuevamente a la atmósfera cuando está más cálida, lo que causa un aumento y una caída global de 0,2 kilopascales (0,029 psi) en la presión. [24]

Pero la atmósfera marciana contiene sólo entre un 0,13 y un 0,14 % de oxígeno, [24] en comparación con el 20,9 % de la atmósfera terrestre. Por lo tanto, respirar la atmósfera marciana es imposible para casi cualquier organismo; debe suministrarse oxígeno a una presión superior al límite de Armstrong.

Respiración

Composición media de la atmósfera marciana

Los seres humanos ingieren oxígeno y expulsan dióxido de carbono y vapor de agua cuando respiran, y normalmente respiran entre 12 y 20 veces por minuto en reposo y hasta 45 veces por minuto en condiciones de alta actividad. [26] En condiciones estándar a nivel del mar en la Tierra de 101,33 kilopascales (14,697 psi), los seres humanos respiran un 20,9 % de oxígeno, a una presión parcial de 21,2 kilopascales (3,07 psi). Este es el suministro de oxígeno requerido correspondiente a las condiciones normales de la Tierra. Los seres humanos generalmente requieren oxígeno suplementario a altitudes superiores a 15 000 pies (4,6 km), [23] por lo que el requisito mínimo absoluto de oxígeno seguro es una presión parcial de 11,94 kilopascales (1,732 psi) [27] Como referencia, la unidad electromagnética Apollo utilizó una presión operativa de 25,5 kilopascales (3,70 psi) en la Luna. [28]

El aliento exhalado en la Tierra normalmente contiene alrededor de un 4% de dióxido de carbono y un 16% de oxígeno, junto con un 78% de nitrógeno, [29] más alrededor de 0,2 a 0,3 litros de agua. [30] [29] El dióxido de carbono se vuelve lentamente cada vez más tóxico en altas concentraciones, [31] y debe eliminarse del gas respirable. [32] Un concepto para eliminar el dióxido de carbono del aire respirable es utilizar depuradores de dióxido de carbono de perlas de amina reutilizables . [33] Mientras que un depurador de dióxido de carbono filtra el aire del astronauta, el otro puede ventilar el dióxido de carbono depurado a la atmósfera de Marte. Una vez que se completa ese proceso, se puede utilizar otro depurador, y el que se utilizó puede tomar un descanso. [34] Otra forma más tradicional de eliminar el dióxido de carbono del aire es mediante un bote de hidróxido de litio , pero estos deben reemplazarse periódicamente. [35] Los sistemas de eliminación de dióxido de carbono son una parte estándar de los diseños de naves espaciales habitables, aunque sus detalles varían. [32] Una idea para eliminar el dióxido de carbono es utilizar un tamiz molecular de zeolita, y luego el dióxido de carbono se puede eliminar del material. [36]

Si se utiliza nitrógeno para aumentar la presión, como en la ISS, es inerte para los humanos, pero puede provocar la enfermedad por descompresión. [32] Los trajes espaciales suelen funcionar a baja presión para facilitar el movimiento de su estructura similar a un globo, por lo que los astronautas deben pasar mucho tiempo eliminando el nitrógeno de su sistema. Las misiones Apolo utilizaron una atmósfera de oxígeno puro en el espacio, excepto en tierra, para reducir el riesgo de incendio. También existe interés en los trajes duros que pueden soportar presiones internas más altas, pero que son más flexibles, por lo que los astronautas no tienen que eliminar el nitrógeno de su sistema antes de realizar una caminata espacial.

Temperatura

Un gráfico de los datos de temperatura de la superficie de Marte obtenidos por una sonda de superficie de Marte (rover)

En Marte pueden producirse grandes oscilaciones de temperatura; por ejemplo, en el ecuador, la temperatura diurna puede alcanzar los 21 °C (70 °F) en el verano marciano y descender a -73 °C (-100 °F) por la noche. [37] Según un informe de la NASA de 1958, el confort humano a largo plazo requiere temperaturas en el rango de 4 a 35 °C (40 a 95 °F) con una humedad del 50%. [38]

Radiación

En la Tierra, en los países desarrollados, los humanos están expuestos a aproximadamente 0,6 rads (6 mGy) por año, [39] y a bordo de la Estación Espacial Internacional a aproximadamente 8 rads (80 mGy) por año. [39] Los humanos pueden tolerar hasta aproximadamente 200 rads (2 Gy) de radiación sin sufrir daños permanentes; sin embargo, cualquier exposición a la radiación conlleva riesgos, por lo que existe un enfoque en mantener la exposición lo más baja posible. [39] En la superficie de Marte hay dos tipos principales de radiación: una dosis constante de una variedad de fuentes y eventos de protones solares que pueden causar un aumento dramático en la cantidad de radiación durante un corto período de tiempo. [39] Los eventos de llamaradas solares pueden causar que se entregue una dosis letal en horas si los astronautas son sorprendidos desprotegidos, y esto es una preocupación de la NASA para las operaciones humanas en el espacio y en la superficie de Marte. [40] Marte no tiene un gran campo magnético de la misma manera que la Tierra, que protege a la Tierra de la radiación, especialmente de las llamaradas solares. [40] Por ejemplo, el evento solar que ocurrió el 7 de agosto de 1972 , solo 5 meses después del Apolo 16 , produjo tanta radiación, incluyendo una ola de partículas aceleradas como protones, que la NASA se preocupó por lo que sucedería si tal evento ocurriera mientras los astronautas estaban en el espacio. [40] Si los astronautas reciben demasiada radiación, aumenta su riesgo de cáncer de por vida y pueden sufrir envenenamiento por radiación . [41] La exposición a la radiación ionizante también puede causar cataratas, un problema en los ojos. [42]

La atmósfera de Marte es mucho más fina que la de la Tierra, por lo que no detiene tanta radiación. [40]

El efecto de la radiación sobre los medicamentos tomados en la misión también es preocupante, especialmente si altera sus cualidades médicas. [43]

Requisitos de diseño adicionales

Operar con el traje marciano en la superficie crea una serie de preocupaciones para el cuerpo humano, incluyendo un entorno gravitacional alterado, una situación confinada y aislada, un ambiente exterior hostil y un ambiente cerrado en el interior, radiación y una distancia extrema de la Tierra. [43]

Una consideración importante para el aire respirable dentro del traje es que los gases tóxicos no entren en el suministro de aire. [43] Los entornos de gravedad reducida pueden alterar la distribución de fluidos dentro del cuerpo. [43] Un punto de preocupación son los cambios en la habilidad motora fina, especialmente si interfiere con la capacidad de usar interfaces de computadora. [43]

Viseras y UV

Se despliega una visera recubierta de oro durante la EVA de este astronauta en la órbita de la Tierra.

Una fina capa de oro en la burbuja de plástico de la visera de los cascos espaciales actuales protege la cara de las partes dañinas del espectro solar. [44] Los diseños de viseras, en general, tienen como objetivo permitir que el astronauta vea, pero bloquear la luz ultravioleta y el calor, además de los requisitos de presión. [45]

Se ha detectado que la luz ultravioleta llega a la superficie de Marte. [46] El dióxido de carbono marciano tiende a bloquear la luz ultravioleta de longitudes de onda más cortas que aproximadamente 190 nm; sin embargo, por encima de eso hay menos bloqueo dependiendo de la cantidad de polvo y dispersión de Rayleigh . [46] Se observa que cantidades significativas de luz UVB y UVC llegan a la superficie de Marte. [46]

Inodoro y vómitos

Una consideración humana para los trajes es la necesidad de eliminar los desechos corporales. [47] Se han empleado varios métodos en los trajes, y en la era del transbordador, la NASA utilizó prendas de máxima absorción para permitir estancias de 10 horas en el espacio y trajes de presión parcial. [47]

Otra preocupación son los vómitos, cuya incidencia ha aumentado durante los vuelos espaciales. [48]

Polvo marciano

El traje lunar del Apolo quedó cubierto de polvo de regolito lunar durante las caminatas lunares.

Otra consideración es qué sucedería si los astronautas de alguna manera respiraran el polvo de Marte. El efecto del polvo de Marte sobre la salud es una preocupación, en base a la información conocida sobre él, que incluye que puede ser abrasivo y/o reactivo. [49] Se han realizado estudios con polvo de cuarzo y también se lo ha comparado con la exposición al polvo lunar . [49] Un astronauta del Apolo 17 se quejó de síntomas similares a la fiebre del heno después de su caminata lunar. [49] Se sabía que el polvo lunar se adhería a los trajes espaciales y era absorbido por los astronautas cuando entraban al Módulo Lunar Apolo . [50]

Usar

Los tamaños relativos de Deimos y Fobos tal como se pueden ver desde la superficie de Marte, comparados con el tamaño relativo en el cielo de la Luna tal como se ve desde la Tierra. Dependiendo de las condiciones, una EVA nocturna significaría ver las lunas marcianas en el cielo nocturno de Marte.

Un artículo en la revista Nature señaló que debido a la gravedad reducida, la dinámica de caminar en Marte sería diferente a la de la Tierra. [51] Esto se debe a que las personas caen hacia adelante como parte de su forma de andar cuando se mueven, y el movimiento del centro de masa corporal se asemeja al de un péndulo invertido . [51] En comparación con la Tierra, en igualdad de condiciones, sería la mitad de la cantidad de trabajo para moverse, pero una velocidad de caminata en Marte sería de 3,4 km por hora en lugar de 5,5 km por hora en la Tierra. [51] Estos datos se produjeron simulando la gravedad marciana durante la duración de una aeronave siguiendo un perfil de vuelo que causa este tipo de aceleración. [51] Se calcula que la aceleración de la gravedad en la superficie de Marte es de aproximadamente 3,7 metros por segundo 2 . [52] No se sabe si esta gravedad reducida causa el mismo tipo de masa muscular reducida y efectos biológicos que se observan al vivir en microgravedad a bordo de la ISS durante varios meses. [52] La gravedad es aproximadamente el 38% de la gravedad de la Tierra en la superficie. [53]

En Oregón (Estados Unidos) se realizaron pruebas de escalada en roca con un traje de IVA (actividad intravehicular) de baja presión. [54] Se observó la dificultad de agarrar rocas con guantes, incluidos los dedos en movimiento y la fricción con las rocas, y los piolets para escalar en hielo resultaron útiles para escalar superficies. [54] El montañismo en Marte puede ser necesario cuando los entornos del terreno superan las capacidades de un vehículo explorador, o para acceder a un objetivo de interés, o simplemente para volver a casa, a una base. [55] Una necesidad común en el montañismo es un refugio de corta estancia altamente móvil para utilizar durante la noche al escalar, como una tienda de campaña, y un equivalente para Marte podría permitir la posibilidad de salir de un traje espacial. [55] El diseño del traje para escalar probablemente se vería afectado por las necesidades de escalada, incluida la flexibilidad del traje, especialmente en las manos y también en términos de durabilidad. [55]

Otra cuestión es la cantidad de uso esperado para los trajes en diseños de misiones probablemente humanas. [56] Por ejemplo, a finales de la década de 2010 se habían producido más de 500 EVA desde el comienzo de los vuelos espaciales, mientras que se espera que una sola misión a Marte necesite 1000 EVA. [56]

Los planes típicos de misión a Marte indican que una persona que use un traje de Marte necesitaría ingresar a un rover presurizado a través de una esclusa de aire. [57] Alternativamente, se necesitaría usar un traje de Marte en rovers tripulados no presurizados para proporcionar soporte vital. [58] Hay varias opciones diferentes para una esclusa de aire de entrada y salida para un traje espacial, una de las cuales es volver a presurizar todo el compartimento como en el módulo de aterrizaje lunar Apollo . [57] Algunas otras ideas son el puerto de traje, la esclusa de tripulación y la esclusa de aire de tránsito. [57]

Trajes marcianos utilizados junto con otros elementos de la superficie de Marte (ilustración)

Necesidad

La Ley de Autorización de la NASA de 2017 ordenó a la NASA llevar humanos cerca o sobre la superficie de Marte a principios de la década de 2030. [59]

Puerto de viaje para Marte

Se han explorado los trajes espaciales de Marte para su integración con un diseño de esclusa de aire que combina una esclusa de aire y la entrada y salida del traje con otro vehículo, y se conoce comúnmente como puerto de traje . [57] Esto se ha considerado como una forma de integrar un rover de Marte presurizado tripulado con EVAs de traje espacial de Marte. [57]

La idea es que una persona se deslice dentro del traje a través de una abertura de esclusa de aire mientras el exterior del traje está fuera del vehículo y expuesto al ambiente marciano. [60] Luego, la escotilla se cerraría, sellando el interior del vehículo, y la persona sería sostenida por el sistema de soporte vital del traje. [60] La NASA probó el traje espacial Z-1 para EVA en superficies extraterrestres con un diseño de puerto de traje en la década de 2010. [61] En el diseño Z-1 de la NASA hay una escotilla en la parte trasera del traje espacial que se puede acoplar a un vehículo o estructura adecuados. [61]

Visiones de Marte EVA

  • Los diseños de misiones tripuladas a Marte suelen incluir trajes EVA marcianos. En esta visión, personas con trajes en combinación con vehículos tripulados y otros equipos maniobran en la superficie marciana. A menudo se exploran tecnologías que mejoren la misión para dar una ventaja a los astronautas, como una pantalla de video montada en la muñeca.
    Los diseños de misiones tripuladas a Marte suelen incluir trajes EVA marcianos. En esta visión, personas con trajes en combinación con vehículos tripulados y otros equipos maniobran en la superficie marciana. A menudo se exploran tecnologías que mejoren la misión para dar una ventaja a los astronautas, como una pantalla de video montada en la muñeca.
  • Concepción artística de una tripulación en una EVA en la superficie de Marte, alrededor de principios de la década de 1960. Al fondo se ve un módulo de excursión a Marte (MEM).
    Concepción artística de una tripulación en una EVA en la superficie de Marte, alrededor de principios de la década de 1960. Al fondo se ve un módulo de excursión a Marte (MEM).
  • Simulación fotográfica escenificada de un traje espacial marciano en una EVA (NASA, década de 2010)
    Simulación fotográfica escenificada de un traje espacial marciano en una EVA (NASA, década de 2010)
  • Escalada en roca en Marte
    Escalada en roca en Marte
  • Concepto de la NASA de la tripulación de Marte analizando una muestra (2004).[62]
    Concepto de la NASA de la tripulación de Marte analizando una muestra (2004). [62]
  • Los primeros exploradores humanos de Marte exploran Valles Marineris al amanecer (1989)
    Los primeros exploradores humanos de Marte exploran Valles Marineris al amanecer (1989)
  • Arte conceptual de la NASA de dos personas con trajes en Marte instalando equipos meteorológicos[63]
    Arte conceptual de la NASA de dos personas con trajes en Marte instalando equipos meteorológicos [63]
  • Arte espacial que muestra a astronautas con trajes espaciales marcianos acercándose al módulo de aterrizaje Viking 2 en Marte
    Arte espacial que muestra a astronautas con trajes espaciales marcianos acercándose al módulo de aterrizaje Viking 2 en Marte

Véase también

  • Actividades: Diseño de trajes espaciales para Marte (lección educativa)
  • Pérdida de masa del tejido ortopédico del traje espacial del transbordador bajo un bombardeo ionosférico simulado con oxígeno atómico
  • Pruebas ultravioleta de los materiales de los trajes espaciales para Marte, 2017
  • Racked - ¿Qué llevaremos puesto en Marte? (18 de junio de 2018)

Lectura adicional

  • Historia de los trajes espaciales (1994, NASA)
  • Preparados para el Planeta Rojo - IEEE (septiembre de 2015)

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