La misión lunar india Chandrayaan-3 fue lanzada el14 de julio de 2023 desde el Centro Espacial Satish Dhawan, en la isla de Sriharikota, al sureste de la India. Chandrayaan-3 consta de dos módulos: uno de propulsión y otro de aterrizaje. El módulo de aterrizaje tuvo éxito el 23 de agosto de 2023 y se convirtió en la primera sonda en posarse cerca del polo sur lunar. El Dr. Anand Kumar Sharma, ex científico de ISRO, nos habla del proyecto Chandrayaan-3 y de la importancia del acabado de la superficie en la misión.
La Luna es el objeto celeste más grande y brillante del cielo nocturno. Al ser el único satélite natural de la Tierra, ha sido el centro de atención de la humanidad. Comprender la Luna también puede proporcionarnos una vía para desentrañar la evolución temprana de nuestro sistema solar y la de la Tierra. Aterrizar en la Luna sigue siendo un reto. Esto se debe a que ...
- existe un retraso en las comunicaciones entre la Tierra y la Luna, por lo que la nave debe aterrizar de forma autónoma
- para que el aterrizaje sea seguro, la velocidad de la nave debe reducirse de miles de kilómetros por hora a aproximadamente 1 m por segundo mediante el encendido preciso de los motores de descenso, y
- el terreno real de aterrizaje no se conoce con precisión.
La segunda misión lunar de la India, Chandrayaan-2, tras una exitosa inserción orbital, provocó el aterrizaje forzoso del módulo de aterrizaje el 6 de septiembre de 2019 debido a un fallo de última hora en el software de guiado [1]. Otras tres naves espaciales, la israelí Beresheet en abril de 2019, la japonesa Hakuto-R en abril de 2023 y la rusa Luna-25 en agosto de 2023 también se han estrellado.
¿Por qué el Polo Sur Lunar?
Las zonas del polo sur de la Luna que permanecen en la sombra son mucho mayores que las del polo norte. Existe la posibilidad de la presencia de paredes heladas en las zonas permanentemente en sombra. Estos cráteres con trampas frías de la región del polo sur también podrían contener un registro fósil del sistema solar primitivo. Por eso se considera que el polo sur es un objetivo rico en grandes recursos. La región del polo sur es también un terreno muy difícil con duras condiciones, incluyendo temperaturas tan bajas como -233 °C. El módulo de aterrizaje Chandrayaan-3 aterrizó suavemente cerca del polo sur lunar, en la llanura elevada situada entre los cráteres Manzinus-C y Simpelius-N.
Objetivos de la misión
Chandrayaan-3 tenía tres objetivos principales:
- El objetivo principal era el aterrizaje suave, seguro y preciso del módulo de aterrizaje cerca del polo sur lunar
- Demostrar el funcionamiento de un rover en la superficie lunar
- Realizar experimentos científicos in situ en el suelo lunar.
Para alcanzar los objetivos de la misión, se introdujeron varias tecnologías avanzadas en Chandrayann-3, como la redundancia de la instrumentación, la rigidez estructural y las contingencias múltiples. Los detalles del vehículo de lanzamiento se presentan en la Figura 1 [2].
Fig. 1: Vehículo de lanzamiento Mark-III-M4
La nave espacial
La nave espacial compuesta Chandrayaan-3 en una configuración apilada se muestra en la Figura 2. El módulo de propulsión está en la parte inferior y el módulo de aterrizaje en la parte superior con el rover dentro. Las principales especificaciones de la nave son las siguientes [2, 3]:
- Vida útil de la misión: Módulo de propulsión: 3-6 meses, módulo de aterrizaje: un día lunar (aprox. 14 días terrestres)
- Masa: módulo de propulsión: 2148 kg, módulo de aterrizaje: 1752 kg, incluido el vehículo explorador de 26 kg, total: 3900 kg.
- Generación de energía: módulo de propulsión: 758 W, módulo de aterrizaje: 738 W, solsticio de invierno con polarización; rover: 50 W
- Comunicación: el módulo de propulsión se comunica con la red india de espacio profundo (IDSN). Mientras que el módulo de aterrizaje se comunica tanto con la IDSN como con el rover. El orbitador Chandrayaan-2 se utiliza como enlace de reserva. El rover sólo puede comunicarse con el módulo de aterrizaje.
Fig. 2: Módulo integrado Chandrayaan-3
Módulo de propulsión (PM)
El módulo de propulsión, ilustrado en la figura 3, se utiliza como satélite de retransmisión. Permanecerá en órbita lunar para permitir las comunicaciones con la Tierra. La función principal del PM es transportar el módulo de aterrizaje desde la órbita terrestre de estacionamiento hasta la órbita lunar polar. El módulo de propulsión es una estructura en forma de caja con un gran panel solar montado en un lado y un gran cilindro en la parte superior (cono adaptador modular Inter) que actúa como estructura de montaje para el módulo de aterrizaje. Tiene una masa de 2148 kg, de los cuales 1696 kg son de propulsante. Las comunicaciones se realizan mediante banda S y los sensores de actitud incluyen un sensor estelar, un sensor solar, una unidad de referencia inercial (IRU) y un paquete de acelerómetros (IRAP). Como valor añadido, el PM también transportaba una carga útil científica, la espectro-polarimetría del Planeta Tierra habitable (SHAPE) para estudiar las mediciones espectrales y polarimétricas de la Tierra desde la órbita lunar.
Fig. 3: Módulo de propulsión
Módulo Lander-Vikram (LM)
El módulo de aterrizaje (Vikram, en honor al pionero del programa espacial indio Vikram Sarabhai) tiene forma de caja con cuatro patas de aterrizaje (figura 4). Las cuatro patas del módulo de aterrizaje absorben la energía al tocar la superficie de la Luna y le proporcionan estabilidad para las operaciones posteriores. Tras aterrizar en la Luna, la rampa se abre y el rover desciende a la superficie lunar. El módulo de aterrizaje dispone de paneles solares laterales. Al igual que Chandrayaan-2, el módulo de aterrizaje Chandrayaan-3 cuenta con cuatro cargas útiles científicas para realizar experimentos en la superficie lunar:
Fig. 4: Módulo de aterrizaje (Vikram )
Radio Anatomy of Moon Bound Hypersensitive ionosphere and Atmosphere (RAMBHA): La ionosfera lunar es un entorno de plasma altamente dinámico. La sonda Langmuir RAMBHA mide la densidad del plasma cercano a la superficie (iones y electrones) y su variación con el tiempo. Las mediciones iniciales indican que el plasma que rodea la superficie lunar es relativamente escaso, caracterizado por un rango de densidades de 5 a 30 millones de electrones por metro cúbico a lo largo del día lunar.El Experimento Termofísico de Superficie de Chandra (CHaSTE) está equipado con 10 sensores individuales de temperatura que miden el gradiente vertical de temperatura y la conductividad térmica de la capa superficial lunar. Está equipado con un mecanismo de penetración controlada capaz de alcanzar una profundidad de 10 cm. El Instrumento para la Actividad Sísmica Lunar (ILSA) es un sismómetro de tres ejes basado en MEMS que puede detectar el desplazamiento, la velocidad o la aceleración del suelo causados por terremotos lunares. Su objetivo principal es caracterizar la sismicidad alrededor del lugar de aterrizaje. ILSA se compone de un conjunto de seis acelerómetros de alta sensibilidad. El elemento sensor principal consiste en un sistema de resorte-masa con electrodos estructurados en forma de peine. Las vibraciones externas provocan una desviación del muelle, lo que se traduce en un cambio de capacitancia que se convierte en tensión. El Laser Retroreflector Array (LRA) se emplea como experimento pasivo para comprender la dinámica del sistema lunar de la Tierra. Realizará mediciones precisas de la distancia entre el reflector en la superficie lunar y los satélites en órbita lunar.
Rover Pragyan
El Rover Pragyan (que significa "sabiduría" en sánscrito) es un laboratorio móvil para recorrer la superficie lunar a una velocidad de 1 cm/segundo, recoger muestras y analizar su composición geológica y química. Dispone de cámaras de navegación, un panel solar que puede generar 50 W, y puede comunicarse con el Lander mediante antenas Rx/Tx. El tiempo de funcionamiento previsto del rover era de un día lunar (14 días terrestres), ya que su electrónica no estaba diseñada para soportar la gélida noche lunar. Dos ruedas de popa del rover se utilizan para medir la distancia exacta recorrida mediante odometría visual. Los detalles se presentan en la Figura 5. El rover dispone de dos instrumentos científicos. El primero, el llamado Espectroscopio de Descomposición Inducida por Láser (LIBS), está diseñado para realizar análisis elementales cerca del lugar de aterrizaje. Se enfoca un pulso láser de alta energía sobre la superficie de una roca o suelo que genera un plasma extremadamente caliente y localizado. La luz plasmática recogida se resuelve espectralmente y se detecta mediante detectores de dispositivos de carga acoplada. Dado que cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda de luz en estado de plasma, se determina la composición elemental del material. El primer espectro LIBS de rango cercano in situ de la superficie lunar registrado el 28 de agosto de 2023 se presenta en la Figura 6. Los análisis desvelaron la presencia de Al, S, Ca, Fe, Cr, Ti, Mn, Si y O. Se confirma inequívocamente la presencia de azufre. Se está investigando la presencia de hidrógeno. El segundo instrumento es un Espectrómetro de Rayos X de Partículas Alfa (APXS) que determina la composición elemental in situ mediante espectroscopia de fluorescencia de rayos X. El APXS puede detectar los principales elementos que forman las rocas. El APXS a bordo del Rover se desplegó para observar la muestra lunar. APXS observó la presencia de elementos menores interesantes, Al, Si, Ca y Fe, incluido el S.
Fig. 5: Rover Pragyan
El papel de la modificación de la superficie en Chandrayaan-3
La modificación de superficies se emplea como medio ideal para mejorar una o varias propiedades superficiales, químicas, mecánicas, eléctricas u ópticas. Se utiliza para evitar la corrosión atmosférica; para aumentar la microdureza y reducir la fricción en superficies deslizantes; para mejorar la adherencia de pinturas, lubricantes y adhesivos; para conferir resistencia o conductancia térmica/eléctrica; para proporcionar una superficie óptica adecuada para aplicaciones de control térmico, etc. Sin embargo, los acabados para aplicaciones espaciales requieren normas más estrictas y un mayor control que los utilizados en aplicaciones terrestres, ya que no se puede acceder a una nave espacial en órbita para repararla y las condiciones espaciales son severas [4]. La reducción de la masa es un criterio importante en el diseño de naves espaciales, ya que el coste de su lanzamiento es enorme. La mayoría de los componentes estructurales de Chandrayaan-3 se fabricaron con aleaciones de metales ligeros, como aluminio, magnesio o titanio. Las carcasas electrónicas y los componentes de los mecanismos se fabricaron en su mayor parte con aleaciones de aluminio. El titanio se utilizó para los escudos térmicos y diversos elementos de fijación.
Fig. 6: Espectro LIBS de la superficie lunar
- Los paneles de la nave espacial estaban fabricados con una estructura de panal de abeja de material compuesto ligero intercalada con láminas frontales de aluminio. Las chapas frontales estaban cromadas o anodizadas con ácido crómico para protegerlas de la corrosión y proporcionar una buena unión con los adhesivos en el interior y las pinturas en el exterior. Los insertos de aluminio o magnesio utilizados en los paneles estaban anodizados.
- Las piezas del subsistema fabricadas en Al, Mg o Ti se anodizaron u oxidaron con microarco para protegerlas de la corrosión y/o mejorar la adherencia de los revestimientos posteriores.
- El anodizado duro de las piezas de aluminio se utilizó para mejorar las propiedades tribológicas de los componentes del mecanismo de despliegue y otras piezas móviles.
- En la fabricación de placas de circuito impreso (PCB) se utilizaron procesos de chapado en cobre, plata y oro. La capa de cobre de la cara posterior del PCB se oxidó en negro para mejorar su rendimiento térmico.
- El chapado en plata se aplicaba en guías de ondas de radiofrecuencia y filtros de datos; en la fabricación de circuitos, condensadores cerámicos multicapa, soldaduras e interruptores eléctricos debido a su insuperable conductividad eléctrica (resistividad, 1,63 µΩcm). La alta conductividad térmica de la plata la hace perfecta para la disipación de alto calor en dispositivos electrónicos. El recubrimiento de plata se utilizaba en la metalización de materiales no conductores, como el vidrio o la cerámica, y en rodamientos de bolas para evitar el gripado de superficies metálicas sometidas a cargas ligeras. Las pinturas de plata se utilizaban en la fabricación de circuitos electrónicos impresos.
- El oro es un recubrimiento muy importante en aplicaciones espaciales por su resistencia a los cambios en entornos previos y posteriores al lanzamiento. El chapado en oro se empleaba en contactos deslizantes electrónicos, clavijas de conectores e interruptores eléctricos para aumentar su vida útil y mejorar su eficacia y fiabilidad en condiciones adversas. El revestimiento de oro también funciona como lubricante de película sólida para evitar la soldadura en frío en piezas móviles en condiciones espaciales, por ejemplo, componentes del mecanismo de despliegue y sujeción de paneles de naves espaciales. La soldadura en frío es la adhesión de superficies metálicas atómicamente limpias entre sí sin aplicación de calor. Dado que el oro tiene una baja resistencia al cizallamiento, la soldadura en frío no supone una amenaza grave, ni siquiera en condiciones de alto vacío.
La ingeniería de superficies desempeñó un papel importante en el control térmico de las naves espaciales. En ausencia de atmósfera, la temperatura de una nave espacial se controla mediante técnicas de control térmico pasivo que utilizan las propiedades ópticas de sus componentes. Las propiedades ópticas requeridas se consiguen con una modificación adecuada de la superficie. El sistema pasivo no implica ningún movimiento relativo de sus partes y no requiere energía externa para su funcionamiento. Esto elimina la posibilidad de que falle. Los módulos de la nave espacial se aislaron del duro entorno espacial (espacio frío profundo) mediante aislamiento multicapa (MLI). El MLI consiste en capas alternas de escudos de radiación que reflejan el calor (fina película de poliéster aluminizado) separadas por espaciadores de baja conductancia (red de poliéster). El calor generado internamente es irradiado al espacio exterior por las ventanas ópticas denominadas reflectores solares ópticos (OSR). Los OSR están formados por una fina lámina de vidrio o cuarzo, plateada o aluminizada en la cara posterior mediante evaporación al vacío. Los OSR reflejan al espacio exterior el calor generado por diversos componentes de las naves espaciales. Los reflectores solares suelen ocupar las zonas donde se encuentran los equipos que disipan mucho calor, por ejemplo, el amplificador de ondas de tubo viajero, el multiplexor de salida y las baterías. Además, el control térmico de diversos subsistemas se lograba mediante la aplicación de revestimientos con propiedades ópticas conocidas. El gradiente de temperatura dentro del módulo o instrumento se redujo al mínimo mediante la aplicación de revestimientos negros de alta emitancia en sus componentes. Estos revestimientos mejoran el acoplamiento radiativo a través del paquete. El aislamiento radiativo puede conseguirse mediante revestimientos metálicos de baja emitancia. Algunos de los componentes internos de la nave espacial generan un calor excesivo, mientras que otros se encuentran en un espacio profundo y frío. En estas zonas se aplicaron revestimientos negros (por ejemplo, anodizado negro, pintura negra) de alta emitancia térmica para mejorar las características de radiación térmica.
Perfil de la misión
El vehículo lanzador inyectó inicialmente la pila Chandrayaan-3 en una órbita de estacionamiento terrestre de 170 x 36.500 km. Posteriormente se realizaron seis maniobras de aproximación a la Tierra (EBM) con el motor del módulo de propulsión para impulsar la nave compuesta más lejos de la Tierra y más cerca de la Luna. El quemado final sirvió como Inyección Trans-Lunar (TLI)-viaje de la nave hacia la Luna. A continuación se produjo la Inserción en Órbita Lunar (LOI), que capturó la Luna y colocó la nave compuesta en una órbita de estacionamiento lunar de unos 164 x 18.074 km. Tras completar cinco maniobras lunares (LBM), la nave entró en una órbita lunar polar de 153 x 163 km. A continuación, el módulo de aterrizaje se separó del módulo de propulsión y se situó en una órbita de 25 x 134 km. A continuación, la operación de aterrizaje, de unos 15 minutos de duración, se llevó a cabo de forma autónoma. Los comandos se generaron a partir de la medición precisa de la velocidad y la altura del módulo de aterrizaje desde los instrumentos de a bordo, incluidas las cámaras que fotografiaban el terreno lunar. Las mediciones se actualizaban automáticamente en tiempo real. Hubo dos fases de descenso lunar: frenado brusco y frenado fino. El frenado brusco se llevó a cabo en la periluna (el punto más cercano a la Luna) para reducir la velocidad horizontal del módulo de aterrizaje. Mediante este quemado se redujo la velocidad horizontal y la altitud de 25 km a 7,4 km disparando los cuatro motores de líquido de las esquinas. Posteriormente se cambió la orientación del módulo de aterrizaje de horizontal a vertical. En el frenado fino, el módulo de aterrizaje descendió verticalmente de 7,4 km a 100 m y su velocidad se redujo gradualmente a < 2 m/seg. El frenado fino comienza con el encendido simultáneo de los dos motores líquidos diagonales. El movimiento horizontal (desplazamiento lateral) del Lander se controló disparando los pequeños propulsores de 50 N. Antes del aterrizaje final, Vikram realizó un vuelo estacionario, tomando una fotografía del lugar de aterrizaje y comparándola con las imágenes ya almacenadas adquiridas por la cámara de alta resolución (OHRC) del Orbitador Chandrayaan-2. Esto se realizó para garantizar la seguridad del aterrizaje. Esto se realizó para garantizar un aterrizaje seguro en el lugar predefinido. Tras confirmarlo, Vikram descendió lentamente reduciendo el empuje vertical. A 4 m de altura se cortó el empuje, Vikram estaba en caída libre con una velocidad de aterrizaje de ~ 1 m/seg.
Todo el proceso, desde el lanzamiento de Chandrayaan-3 hasta el aterrizaje de Vikram en la Luna, duró unos 42 días. Cabe preguntarse que hace 54 años (16 de julio de 1969), el Apolo 11 lanzado por el cohete Saturno V había llegado a la Luna en sólo 51 horas y 49 minutos. ¿Por qué tardó 42 días el Chandrayaan-3? Una vez que los cohetes escapan de la Tierra, necesitan una velocidad de 11,2 km/s para seguir avanzando. India no dispone de un cohete tan potente, de ahí que se adoptara un mecanismo de lanzamiento en honda, en el que la órbita de la nave espacial se eleva en múltiples quemados. El proceso es lento, pero ofrece amplias oportunidades para corregir el rumbo y es muy rentable. Justo antes de entrar en modo de hibernación para sobrevivir a la inminente noche lunar, el 4 de septiembre de 2023 Vikram se sometió con éxito a un experimento de salto. Al recibir la orden, encendió los motores, se elevó unos 40 cm como se esperaba y aterrizó sin problemas a una distancia de 30-40 cm. La rampa desplegada, ChaSTE e ILSA se replegaron y volvieron a desplegarse con éxito. Los experimentos in-situ de las cargas utiles ChaSTE, RAMBHA-LP e ILSA se llevaron a cabo en la nueva ubicacion. Todas las cargas útiles se apagaron mientras que los receptores se mantuvieron encendidos. Una vez agotada la energía solar y la batería, Vikram se quedó dormido junto a Pragyan. Esto se debe a que no disponen de las unidades de calentamiento de radioisótopos (RHU), esenciales para su supervivencia en las noches lunares de frío extremo. Contra todo pronóstico, había esperanzas de que despertaran en el siguiente día lunar, en torno al 22 de septiembre de 2023, pero, como era de esperar, esto no ocurrió. Sin embargo, todos los objetivos fijados para Chandrayaan-3 se han alcanzado con éxito.
Conclusión
Tras el exitoso aterrizaje en la Luna el 23 de agosto de 2023, Chandrayaan-3 Vikram se convirtió en la primera sonda en alunizar cerca del polo sur lunar, y la India es el cuarto país en lograr un alunizaje suave, después de Estados Unidos, la antigua Unión Soviética y China. La misión arrojará luz sobre una geología y una composición únicas, completamente inexploradas, de la región polar sur de la Luna.
REFERENCIAS:
[1] A.K. Sharma: Chandrayaan-2 - What went wrong with the Lander? Artículo de fondo, Science Reporter, 56, no. 11, (2019), 20-23, https://nopr.niscpr.res.in/bitstream/123456789/51218/1/SR%2056%2811%29%2020-23.pdf
[2] Chandrayaan-3: https://www.isro.gov.in/Chandrayaan3.html
[3] A.K. Sharma: Chandrayaan-3: India's Quest for the Moon-Cover Story, Science Reporter, 60, no. 8, (2023), 14-19,https://nopr.niscpr.res.in/bitstream/123456789/62340/1/SR%2060%2808%29%2014-19.pdf
[4] A.K. Sharma: Surface engineering for thermal control of spacecraft, Surf. Eng, 21, no. 3, (2005), 249-253,doi: 10.1179/174329405X50118
