¿Cómo se mantendrán fríos y sin modificar los compuestos volátiles de Bennu por el calor de la reentrada (OSIRIS-REx)?

Al ver el video en este artículo del NYTimes, la NASA apunta a un asteroide que contiene pistas sobre las raíces del sistema solar, me di cuenta por primera vez de cómo las muestras realmente regresan a la Tierra.

La composición química de los compuestos orgánicos y volátiles es de gran interés para esta misión por muchas razones. Por lo tanto, creo que es importante evitar las reacciones químicas inducidas térmicamente, la migración y la redistribución de los compuestos dentro de la matriz de la muestra. Si hace más calor que cuando está en Bennu, la ciencia puede verse comprometida.

nota: De acuerdo con el texto de esta excelente animación de Misiones de asteroides cerca del final, la velocidad de reingreso comenzará en aproximadamente 12,4 km/seg. Consulte también el dossier de prensa de OSIRIS-REx .

Del artículo de Wikipedia sobre OSIRIS-REx :

Devuelva y analice una muestra de regolito de asteroide carbonoso prístino en una cantidad suficiente para estudiar la naturaleza, la historia y la distribución de sus minerales constituyentes y material orgánico.

¿El reingreso se mantiene poco profundo para evitar temperaturas externas máximas, o es profundo y rápido para "terminarlo" antes de que el calor pueda difundirse a través (presumiblemente) de una gran cantidad de aislamiento?

Capturas de pantalla del video del NYTimes :

cuadro del video NYTimes a las 1:45

cuadro del video NYTimes a las 2:03

cuadro del video NYTimes a las 2:12

cuadro del video NYTimes a las 2:25

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cuadro del video NYTimes a las 2:39

Tenga en cuenta que el asteroide está girando, con su superficie expuesta a la luz solar directa durante la mitad de su período de rotación de 4,3 horas. Dependiendo de la latitud, es posible que la muestra de superficie recolectada ya haya ciclado muchas veces entre -100 y +100 grados C.
@RussellBorogove sí, por lo tanto, la redacción cautelosa " Si hace más calor que cuando está en Bennu, la ciencia puede verse comprometida ". Estacionamiento: T 4 = T S yo metro a X / σ ϵ dónde T S yo metro a X = 1368 / 0.9 A tu 2   W / metro 2 , ϵ ≈ 0,96 y σ ≈ 5.67 X 10 − 8   W / metro 2 k 4 da alrededor de 420K o 150C, pero el material de unos pocos cm nunca se calentará tanto, ya que el empaque estará muy suelto en baja gravedad, lo que hará que la conductividad térmica sea bastante baja. Dado que las temperaturas asociadas con el reingreso son del orden de 3000 K durante, digamos, 100 segundos, ¡la cápsula es toda una hazaña de ingeniería!

Respuestas (4)

La cápsula de retorno de muestra está diseñada para mantener su contenido por debajo de 75 °C. Es un diseño probado en vuelo, reutilizando tecnología desarrollada para la misión Stardust.

La estructura de la cápsula de retorno consta de un material de grafito-epoxi cubierto con un sistema de protección térmica que utiliza la tecnología de escudo térmico PICA de la NASA: ablador de carbono impregnado con fenólico.

PICA es un material ligero diseñado para soportar altas temperaturas y esfuerzos mecánicos. La tecnología fue desarrollada en el Centro de Investigación Ames de la NASA y actualmente se encuentra en su tercera generación luego de mejoras graduales. SpaceX modificó la tecnología PICA para las naves espaciales Dragon y Dragon 2 de la compañía, lo que permitió la reutilización de los escudos térmicos.

El principio detrás de la tecnología de escudo térmico ablativo es crear una capa límite entre la pared exterior del escudo y el gas de la capa de choque extremadamente caliente al permitir que el material del escudo térmico se queme lentamente y, en el proceso, genere productos de reacción gaseosos que fluyan fuera del escudo térmico y mantiene la capa de choque a una distancia de separación, lo que reduce el flujo de calor general experimentado por la capa exterior de la nave espacial.

Los procesos que ocurren en el material del escudo térmico incluyen carbonización, fusión y sublimación por un lado y pirólisis por el otro.

La pirólisis crea los gases de producto que soplan hacia afuera y crean el bloqueo deseado del flujo de calor convectivo y catalítico. El flujo de calor radiativo se reduce mediante la introducción de compuestos de carbono en el gas de la capa límite que lo hacen ópticamente opaco.

La carcasa trasera del SRC también está cubierta con material de protección térmica, pero dado que reside en la estela del flujo de gas caliente, no necesitará tanta protección como el lado que mira hacia adelante. Su sistema de protección térmica se compone de un material a base de corcho conocido como SLA 561V, desarrollado originalmente para las misiones Viking a Marte en la década de 1970 y en uso en varias misiones, incluidas las misiones Mars Pathfinder, Genesis y MER. Dentro de la carcasa trasera también se facilita el mecanismo de paracaídas con puntos de fijación seguros para los paracaídas a la cápsula.

El contenedor de muestras en sí mismo es una carcasa de aluminio montada en una plataforma de equipo compuesto y que reside entre la carcasa trasera y el escudo térmico. El rendimiento general del SRC mantendrá la muestra a una temperatura inferior a 75 °C para evitar la pirólisis (descomposición termoquímica) del material orgánico a temperaturas más altas.

¡OK! Es mucho más grande de lo que imaginaba, por lo que hay más espacio para el aislamiento. Agregué una respuesta a continuación con algunas imágenes de su enlace que son útiles. Si desea incluirlos en su respuesta, lo eliminaré más tarde. Creo que el punto clave está en estas dos oraciones; podría considerar resaltarlas: " La pirólisis crea los gases de producto que soplan hacia afuera y crean el bloqueo deseado del flujo de calor convectivo y catalítico. El flujo de calor radiativo se reduce al introducir compuestos de carbono en el gas de la capa límite que lo hace ópticamente opaco ".

Esto es para complementar la respuesta aceptada por @Hobbes, y esta información es de este enlace de esa respuesta.

La cápsula de retorno es mucho más grande de lo que imaginaba, 81 cm de diámetro y 50 cm de alto, por lo que hay mucho espacio para el aislamiento.

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Según el sitio web OSIRIS-REx de la NASA , el escudo térmico de la cápsula de retorno de la muestra elimina más del 99 % de la energía cinética inicial:

foto de asteroidmission.org

Eso debería ser suficiente para prevenir cualquier cambio químico/biológico y preservar el regolito para estudios científicos adicionales.

Gracias, pero ¿has calculado cuánto mide el otro 1% en Joules? "Eso debería ser suficiente" parece ser una opinión. ¿Puedes encontrar algo cuantitativo que puedas vincular?
De acuerdo, es una opinión. El problema depende realmente del tipo de aislamiento utilizado para contener las muestras. Puedo eliminar la respuesta por insuficiente.
También podría decir algo como "OK, veré qué más puedo averiguar", no es necesario eliminarlo. El escudo térmico interactúa con la atmósfera y juntos pueden eliminar el 99% de la energía cinética. Si esa cosa pesa 10 kg, por ejemplo, entonces el 1% sigue siendo 7,7 megajulios. El escudo térmico y el plasma en contacto con él (y que se irradia hacia él) estarán muy, muy calientes durante, digamos, 100 segundos. Creo que lo interesante es que la muestra está a centímetros de algo casi candente: ¿cómo se mantiene frío y qué tan frío se mantiene realmente? ¡Debe ser un aislamiento increíble!
El resto debe estar en el paracaídas en su mayoría.
Sí, estoy de acuerdo con el comentario de @PearsonArtPhoto: "99%" significa que el escudo térmico elimina prácticamente toda la energía, el resto probablemente sea solo un frenado aerodinámico en altitudes más bajas, seguido de frenos + paracaídas.
Realmente no sé cómo calcular el calor en julios. El peso, la velocidad y la resistencia basados ​​en el tamaño de la nave parecen necesitar un modelo bastante complejo.
@Andy uno no "se deshace" de la energía. La interacción del escudo térmico con la atmósfera transfiere la mayor parte de la energía cinética inicial del transbordador a la energía cinética de las moléculas de gas (en forma de calor (y también algo de ionización)) pero no simplemente 'desaparece; parte de eso se transfiere directamente a la cápsula a través del contacto y la radiación. Incluso un 0,1% transferido sería suficiente para modificar la muestra y reducir su utilidad. ¡ Hay mucha ciencia en estas dos frases !

De la misma manera, los astronautas que vuelven a entrar permanecen frescos y sin modificaciones, mediante el uso de un escudo térmico.

Todas las otras respuestas ya mencionaron escudos térmicos, entonces, ¿puede dar más detalles sobre esto?
Se llama humor, hay un buen artículo en wikipedia al respecto.
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Los escudos térmicos son maravillosos, pero no son "mágicos". No puede simplemente decir que hay un escudo térmico, por lo que todo está bien y, por lo tanto, la muestra permanecerá fría. Los científicos acordaron una temperatura transitoria máxima aceptable de algo así como +75 ° C para la muestra, lo cual es bueno porque la muestra no usará un traje espacial.
Creo que es posible tener una respuesta bien escrita que también sea humorística.
¿Cómo se mantendrán fríos y sin modificar los compuestos volátiles de Bennu por el calor de la reentrada (OSIRIS-REx)?
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