ENVÍO DE SEÑALES A TRAVÉS DEL HIELO EN MUNDOS OCEÁNICOS
La detección de vida extraterrestre sería un descubrimiento increíble, que revolucionaría la percepción de la vida por parte de la humanidad y nos brindaría una idea de cómo comienza
y persiste la vida en diversos
entornos. La exploración de mundos oceánicos como Europa y Encelado, que
orbitan alrededor de Júpiter y Saturno, respectivamente, es particularmente
intrigante, ya que pueden albergar condiciones propicias para la vida, como
agua líquida, química esencial, fuentes de calor o energía y océanos de larga
vida.
Figura 1: Concepto artístico
de la vista transversal de Europa que representa el entorno emocionante y
potencialmente habitable del mundo oceánico (Crédito: K. Hand et al./NASA/JPL)
Para dar seguimiento a las
detecciones de entornos habitables obtenidas por misiones anteriores (por
ejemplo, Cassini), las misiones futuras para detectar vida en mundos oceánicos
helados requerirán más que solo observaciones remotas. La exploración profunda
del subsuelo que llegue a los océanos de las lunas y/o las bolsas de agua
encaramadas en la capa de hielo podría revelar, así como caracterizar en
detalle, cualquier vida que pueda existir allí.
Acceder al océano subterráneo
o a las bolsas derretidas encaramadas dentro de una capa de hielo planteará
desafíos importantes. Desde una perspectiva tecnológica, una misión de
exploración exitosa requerirá comenzar en el vacío a temperaturas
extremadamente frías (temperaturas “criogénicas”), penetrar decenas de
kilómetros a través de una capa de hielo durante algunos años y acceder al
océano, todo mientras se mantiene la comunicación con los activos en la
superficie de la luna para transmitir datos a la Tierra. El viaje a través del
hielo implicará navegar a través de una capa de hielo con variaciones de
temperatura, resistencias materiales y posibles composiciones cáusticas
desconocidas, y requerirá la capacidad de sobrevivir al estrés causado por las
mareas y el posible movimiento de fallas (es decir, terremotos de hielo).
Figura 2. Concepto artístico
de un criobot en Europa (crédito de la imagen: Alexander Pawlusik/NASA)
Hasta la fecha, ha surgido un
concepto de tecnología robusta para explorar con eficacia el interior de las
capas de hielo: el robot de penetración de hielo, o “criobot” (ver Figura 2).
Un criobot penetra a través del hielo derritiendo o excavando el hielo (y los
contaminantes que no son hielo) mediante fusión, corte o un método híbrido. Las
sondas de hielo terrestres se han propuesto y/o desarrollado durante décadas,
con pruebas de laboratorio y de campo en la Antártida y Groenlandia para
explorar la viabilidad del concepto para futuras misiones planetarias. Para
mejorar la preparación para la misión de una sonda de hielo-océano de este
tipo, el equipo de STI está desarrollando tecnologías de comunicación sólidas
que emplean cables ópticos y módulos de radiofrecuencia de espacio libre
capaces de transmitir datos a través de varios kilómetros de hielo mientras
sobreviven a las condiciones extremas que se encuentran en los mundos
oceánicos.
Europa: Frío extremo y cargas
extremas: Los robots sumergibles que utilizan resistentes microfibras de fibra
óptica (diámetros ~1-2 mm) que tienen suficiente longitud y masa para soportar
las arquitecturas de criobots de Europa propuestas se han empleado con éxito en
la Tierra para la exploración oceánica terrestre. Sin embargo, no se ha demostrado
la capacidad de estos sistemas para soportar las condiciones extremas del hielo
en Europa. Por lo tanto, el equipo multidisciplinario de STI desarrolló nuevos
protocolos e instrumentación para evaluar las capacidades de las ataduras de
comunicación óptica bajo las condiciones térmicas y de estrés (100 - 260 K)
esperadas en la capa helada de Europa. El equipo aplicó una carga de
cizallamiento a estas temperaturas para una variedad de cargas y tasas de carga
para simular los terremotos de hielo progresivos y de deslizamiento rápido
anticipados en el entorno de la capa de hielo del mundo oceánico.
El equipo de STI realizó estas
pruebas usando un aparato de deformación biaxial criogénica en el Observatorio
de la Tierra Lamont Doherty (LDEO) (ver Figura 3a). Mediante pruebas en un
entorno de laboratorio que simula un entorno mundial oceánico relevante, el
equipo caracterizó la resistencia al corte de dos ataduras en condiciones
similares a las fallas de hielo en Europa. El equipo usó un troquel de tres
secciones de última generación para aplicar pretensión a la atadura (consulte
la Figura 3b), alrededor de la cual se congeló una muestra de hielo policristalino,
con dos separaciones de planos preexistentes para representar fallas
perpendiculares a la atadura. pueden cruzarse (líneas punteadas, en la Figura
3b).
Este protocolo de matriz
demostró ser un método confiable para crear muestras de hielo con ataduras
pretensadas y completamente incrustadas, y demostró una nueva y valiosa técnica
de preparación de pruebas para la comunidad científica. La figura 3c muestra
una de las ataduras probadas, el cable de fibra óptica de amarre fuerte de alta
resistencia Linden (HS-STFOC) y las capas de material protector que rodean la
fibra óptica a través de las cuales se transmiten los datos. Los cambios en la
integridad óptica y la intensidad de la señal observados durante las pruebas
indican cuán capaz sería la atadura en varias regiones de la capa de hielo de
Europa.
Los resultados de las pruebas
de cizallamiento demostraron un nivel sorprendentemente alto de solidez de las
ataduras en el rango de temperaturas y velocidades de deslizamiento de fallas
de hielo que se esperan en mundos oceánicos como Europa y Encelado. Las
velocidades de deslizamiento de la falla fueron controladas por las tasas de
carga aplicadas. La Figura 4b muestra la tensión máxima sobrevivida por las dos
ataduras particularmente robustas probadas: Linden Photonics Inc. Strong Tether
Fiber Optic Cable (STFOC) y Linden HS-STFOC, que sobrevivieron a tensiones
máximas de hasta 1,5 MPa dentro del rango de velocidad de deslizamiento de
falla de 5x10- 7 a 3x10-4 m/s.
Sin embargo, a pesar de
sobrevivir a la variedad de eventos de deslizamiento progresivo y de
cizallamiento de terremotos de hielo a las temperaturas más frías (~100 K) y de
mantener la comunicación óptica durante las pruebas, el equipo notó algunos
daños en las cubiertas exteriores de las ataduras y el estiramiento de las
cubiertas internas. (p. ej., Figura 4c), lo que indica la necesidad de un mayor
desarrollo de ataduras, que actualmente se lleva a cabo en el marco del
programa COLDTech de la División de Ciencias Planetarias.
El estudio STI, con interfaces
de hielo deslizantes toscamente rotas e imperfectamente planas (probablemente
similares a las fallas reactivadas en Europa) a través de estas tasas de
deslizamiento de fallas, cargas de corte y rangos de temperatura de la capa de
hielo, proporciona una confirmación sólida de cómo la estabilidad friccional
del hielo depende de la temperatura. y la velocidad de deslizamiento de la
falla. Estos hallazgos son significativos para su posible aplicación en Europa,
lo que sugiere una variación del comportamiento de deslizamiento con la
profundidad. Las porciones superior e inferior de la capa de hielo se deslizan
suavemente (y lentamente), mientras que en un rango medio de temperatura y
profundidad, las fallas heladas podrían iniciar eventos rápidos de terremotos
de hielo. Al caracterizar la transmisión de datos en estas condiciones, las
pruebas muestran que las ataduras podrían servir potencialmente como
instrumentos científicos para detectar terremotos de hielo y establecer el
perfil térmico de la capa de hielo.
Estos desarrollos y otros
realizados por el equipo de STI están avanzando en tecnologías de comunicación
ancladas y de espacio libre para eliminar los riesgos técnicos de una misión
criobot para acceder a mundos oceánicos. Los esfuerzos de STI también están
mejorando la capacidad de sondear las temperaturas y las propiedades mecánicas
y de composición de las capas de hielo dinámicas, y están guiando los futuros
desarrollos tecnológicos para la exploración del subsuelo de los mundos
oceánicos.
LÍDERES DEL PROYECTO
Kathleen Craft, Laboratorio de
Física Aplicada de JHU (JHU APL); Vishaal Singh, Observatorio de la Tierra
Lamont Doherty (LDEO), Universidad de Columbia; Christine McCarthy, LDEO;
Michael V. Jakuba, Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI); Mateo Silvia,
WHOI
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